Электротехника

Серия «Библиотека инженера»
В. Л. Лихачев, И. В. Николаева
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Издание 3-е, стереотипное
СОЛОН-Пресс
Москва
202

УДК 621.396.218
ББК 32.884.1
Л65
В. Л. Лихачев, И. В. Николаева
В. Л. Лихачев
Л65
Электротехника. Практическое пособие. — М.: СОЛОН-Пресс, 2016. —
608 с.: ил. — (Серия «Библиотека инженера»).
Электротехника. Практическое пособие. Издание 3-е, стереотипное. — 
М.: СОЛОН-Пресс, 202. — 608 с.: ил. — (Серия «Библиотека инженера»)
ISBN 978-5-91359-175-3
ISBN 978-5-91359-467-9
Книга содержит основные сведения по электротехнике, о постоянном токе,
химических действиях постоянного тока, тепловых действиях электрического
тока, электромагнетизме и электромагнитной индукции, однофазном и трехфазном переменном токе, трансформаторах, асинхронных и синхронных двигателях, машинах постоянного тока, электроизмерительных приборах и методах измерения, аккумуляторах, электропроводке, правилах составления и чтения схем.
В книге большое внимание уделено производству электромонтажных работ.
Даны также сведения по технике безопасности в электроустановках.
Книга может быть использована в качестве учебного пособия для учащихся
профессионально-технических училищ, в которых электротехника является самостоятельным и специальным предметом. Кроме того, эта книга может быть
учебным пособием для учащихся средней школы с производственным обучением, а также для повышения квалификации и самообразования рабочих-электриков. Знания по математике в объеме 8 классов средней школы дают возможность учащимся при пользовании книгой свободно оперировать с встречающимся в ней математическим материалом.
По вопросам приобретения обращаться:
ООО «ПЛАНЕТА АЛЬЯНС»
Тел: (499) 782-38-89, www.alians-kniga.ru
По вопросам приобретения обращаться:
ООО «СОЛОН-Пресс»
123001, г. Москва, а/я 82
Телефоны:(495) 617-39-64, (495) 617-39-65
E-mail: kniga@solon-press.ru,
www.solon-press.ru
Сайт издательства СОЛОН-Пресс: www.solon-press.ru.
E-mail: avtor@solon-press.ru
202
ISBN 978-5-91359-467-9
ISBN 978-5-91359-175-3
© Макет и обложка «СОЛОН-Пресс», 2016
© В. Л. Лихачев, 2016
В. Л. Лихачев, И. В. Николаева, 202

Введение
Трудно назвать такую профессию, работая по которой на современных
промышленных предприятиях, транспорте, стройках, в сельском хозяйстве
можно обойтись без знания об электричестве и магнетизме. Квалифицированные рабочие, техники и инженеры должны разбираться в сущности электрических и магнитных явлений, знать способы применения их на практике.
Электротехникой обычно называют науку, которая изучает вопросы производства,
преобразования,
распределения
и
применения
электрической
энергии. Однако электротехника — это не только наука, но и отрасль техники, занимающаяся использованием электрических и магнитных явлений в
практических целях: преобразование различных видов энергии в электрическую, применение ее для превращения одних веществ в другие, получения и
обработки материалов, передачи информации.
Таким образом, электротехника — это отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая
вопросы получения, преобразования, распределения и применения электрической энергии.
Электрическая энергия занимает особое место среди различных видов
энергии, известных в настоящее время. Особенность электрической энергии
заключается прежде всего в том, что в нее сравнительно легко преобразовывать все другие виды энергии и наоборот.
При помощи достаточно простых и экономически выгодных устройств
электрическую энергию очень быстро и в любом количестве можно передать
на значительные расстояния и легко распределить между отдельными потребителями.
Широкое внедрение электрической энергии в промышленность, сельское
хозяйство, транспорт и быт носит название электрификации.
В дореволюционной России мощность всех электростанций составляла
лишь 1,1 млн кВт, а годовая выработка электроэнергии — 1,9 млрд кВт ⋅ч. По
производству электрической энергии царская Россия стояла на одном из самых последних мест, уступая даже такой маленькой стране, как Швейцария.
После Октябрьской революции была поставлена задача — превратить
Россию из отсталой аграрной страны в передовую индустриальную задачу.
В 1918 г. началось строительство Шатурской районной электростанции на
торфе, а в 1919 г. было начато сооружение Каширской районной электростанции на подмосковном угле.

Введение
В 1920 г. был принят знаменитый план электрификации России (ГОЭЛРО),
в котором предусматривалось в течение 10—15 лет построить 30 электростанций общей мощностью 1,5 млн кВт и реконструировать старые электростанции, увеличив их мощность на 250 тыс кВт. По основным показателям план
ГОЭЛРО был выполнен в 1931 г., а в 1935 г. он был перевыполнен почти в
три раза.
В годы довоенных пятилеток были построены десятки мощных тепло- и
гидроэлектрических станций, проведены тысячи километров линий электропередач высокого напряжения, созданы заводы по производству электрооборудования — база отечественной промышленности. Вступили в строй Днепровская, Свирская, Угличская гидростанции, Дубровская, Штеровская, Зуевская тепловые электростанции.
В 1940 г. мощность электростанций СССР достигла 10,7 млн кВт, а выработка электроэнергии составила почти 50 млрд кВт ⋅ч, превысив уровень
1913 г. в 25 раз. Война, затеянная гитлеровской Германией против Советского
Союза, не могла остановит развитие электрификации нашей страны. В трудных военных условиях продолжалось строительство электростанций. За годы
войны мощность электростанций Урала выросла более чем в два раза, Кузбасса — в 1,7 раза, Караганды — в 4,1 раза, Узбекистана в — 1,9 раза.
Электрификация Советской страны исключительно быстро развивалась и
в послевоенный период. Уже в 1950 г. довоенный уровень выработки электроэнергии был превзойден на 87 % и составлял 90 млрд кВт ⋅ч.
В годы пятой пятилетки вступили в строй мощные гидроэлектростанции,
оборудованные по последнему слову техники: Цимлянская, Гюмушская, Верхнее-Свирская, Мингечаурская, первые очереди Камской, Каховской, Нарвской, Княжегубской и др. В то же время пущены крупные тепловые электростанции: Мироновская, Славянская, Южно-Кузбаская, первая очередь Черепецкой и ряд других. На востоке страны пущены Усть-Каменогорская ГЭС,
строятся Ангарская и Бухтарминская гидроэлектростанции.
Энергетика Советского Союза росла не только количественно, но и развивалась качественно. На тепловых электростанциях все более внедряются
турбины и котлы с высокими температурами и давлениями пара. Были построены крупнейшие в мире гидроагрегаты для Куйбышевской ГЭС единичной мощностью 105 тыс. кВт.
Совершенствование
энергетического
оборудования
дает
возможность
снижать удельные расходы топлива, капитальные затраты на сооружение
электростанций и себестоимость электроэнергии. Электрическая энергия, вырабатываемая электростанциями, широко используется в промышленности,
сельском хозяйстве, на транспорте и для бытовых нужд.
Для привода в движение станков, машин и различных механизмов на заводах, фабриках и на других производствах в настоящее время преимущественно пользуются удобными и экономичными электрическими двигателями.
В электрических печах плавят металл, получают сталь и различные сплавы.
Электричество широко применяется при получении алюминия, различных химических продуктов и многих других веществ. Электрическая сварка и
резка металлов имеют чрезвычайно большое распространение.

Введение
5
Только с развитием электротехники появилась возможность применять в
промышленности новые технологические процессы, осуществлять широкую
автоматизацию производства, создавать новые высокопроизводительные машины.
Электричество приводит в движение электропоезда, трамваи и троллейбусы, поднимает тяжести, помогает находить руды, уголь и нефть в недрах земли.
Внедрение электрической энергии в сельское хозяйство позволяет максимально механизировать большинство самых трудоемких работ, резко сократить сроки их выполнения и значительно увеличить выпуск сельскохозяйственной продукции.
Электрическая энергия широко применяется и в домашнем быту.
Благодаря электричеству стали возможны многие замечательные открытия нашего времени. Радиосвязь и радиолокация, проникновение в недра атома и разрушение его — все это производится при помощи электричества.
Электричество позволяет нам, и слышать и видеть за многие тысячи километров, дает возможность видеть в полной темноте и на значительном расстоянии, открывает глазу работу внутренних органов человеческого тела и лечит
болезни. Чтобы перечислить только то, что делается при посредстве и с помощью электричества, понадобилось бы немало страниц.
Профессия электрика очень увлекательна и интересна. Но чтобы стать
высоко профессиональным специалистом, электрик должен много и упорно
учиться и непрерывно повышать уровень своих теоретических и практических
знаний.
Настоящая книга рассчитана на учащихся профессионально-технических
училищ, в которых электротехника является самостоятельным и специальным
предметом. Кроме того, эта книга может быть учебным пособием для учащихся средней школы с производственным обучением. Знания по математике в
объеме 8 классов средней школы дают возможность учащимся при пользовании книгой свободно оперировать с встречающимся в ней математическим
материалом.

Глава первая
НАЧАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ
1.1. Энергия и работа
Энергией называется способность совершать работу. При совершении работы энергия тратится. Так, мускулы руки, поднимая груз, совершают работу.
На это человек затрачивает некоторую энергию.
Пример. Механизм подъемника также совершает работу при подъеме груза. Но кран поднимает груз только тогда, когда его лебедка приведена в
движение. Двигатель совершает работу над механизмом крана и при этом
передает ему часть своей энергии в форме работы, совершенной над ним. Но если это
двигатель внутреннего сгорания, то его рабочий процесс должен все время поддерживаться новыми порциями топлива (бензина или солярки); если же это электрический
двигатель, то он работает только тогда, когда он включен в сеть, и через его обмотки
течет электрический ток.
Законы преобразования энергии. Что же в нашем примере окажется первоначальным источником энергии, совершающим работу?
Ответ ясен: горючее в первом случае, электрический ток — во втором.
Положение таково:
Энергия не является постоянным свойством тела: тело может терять ее и приобретать вновь.
Приобретение энергии и ее потеря происходит при некоторых вполне определенных условиях. Каковы же эти условия? О первом было сказано в самом начале:
Энергия тратится при совершении работы.

Глава первая. Начальные понятия
7
Второе условие таково:
Энергия приобретается телом, когда над ним совершается некоторая работа.
Например, поднятый груз обладает энергией. За этим положением угадывается новое.
Энергия не уничтожается и не создается вновь; она только переходит от одного тела к другому и при этом может существовать в
различных формах.
Последние слова выражают один из основных законов природы. Закон
сохранения энергии лежит в основе физической науки, а, следовательно, в
конечном итоге и в основе всех технических приложений.
Превращения энергии. Все сказанное — это результат обобщения прямых
наблюдений и опытов. Для их подтверждения и уяснения подробно разберем
первый случай нашего примера.
Бензин, сгорая, превращается в значительно большее по объему количество газа. Сжатый в маленьком объеме газ, расширяясь, толкает поршень цилиндра и при этом совершает работу. Следовательно, бензин обладает энергией, которая в процессе сгорания перешла в энергию упругости сжатого газа.
Расширяясь газ совершил работу над поршнем, который привел в движение. Тем самым он лишился способности совершать работу — потерял избыток энергии. Но движущийся поршень приобрел энергию. Через систему лебедок и блоков эта энергия, уже преобразованная опять в форме энергии поступательного движения, доходит до крюка подъемника, который, двигаясь
вверх, поднимает груз, т. е. совершает над ним работу.
Груз, поднятый на некоторую высоту, оказывается сам носителем избытка
энергии, так как, падая вниз, он может совершать работу. Его энергия называется потенциальной или энергией положения в отличие от энергии, которой
обладает движущееся тело — кинетической или энергией движения.
Рассеяние энергии. Коэффициент полезного действия. Для проверки закона
сохранения энергии необходимо измерять энергию и работу, которую может
совершить обладающее ею тело. Достаточно измерить одну лишь работу, так
как при совершении равных работ затрачивается равная энергия.
Предположим, что мы измерили энергию бензина и энергию поднятого
тела. При сравнении их мы заметим, что бензин, сгорая, мог совершить значительно большую работу, чем работу по поднятию груза на ту высоту, на которую он поднят.
Однако это кажущееся противоречие не опровергает основной закон сохранения энергии, а только подтверждает его. Если вникнуть глубже в этот
процесс, то окажется, что отработавшие газы сгоревшего бензина, выброшенные в воздух, еще обладали некоторой энергией, которая ушла на нагревание
воздуха. Дальше: всем известно, что при трении тела нагреваются. Нагрелись
из-за трения блоки крана. На это также пошла энергия.

Глава первая. Начальные понятия
Из сказанного можно сделать вывод: энергия рассеялась, т. е. пошла на
совершение непродуктивных, бесполезных работ. Если мы учтем и рассеянную и полезно израсходованную энергию, мы получим в точности то же значение, которое получили, подсчитывая энергию, выделенную при сгорании
бензина.
Закон сохранения выполнен, но мы столкнулись с другим очень важным
явлением, которое также обладает характером закона природы: некоторая
часть энергии теряется впустую (рассеивается).
В технике содержание этой закономерности выражает так называемый
коэффициент полезного действия, т. е. отношение полезно затраченной энергии (перешедшей в полезную работу) ко всей энергии, затраченной в процессе выполнения работы:
к.п.д. = Полезно затраченная энергия
Вся энергия
⇒или W
W
W
−
′ ,
где W — полная энергия;
′
W
— рассеянная энергия.
Из формулы ясно, что к.п.д. всегда меньше единицы.
Измерение работы. Теперь обратимся к измерению энергии, или, что то
же, к измерению совершаемой работы. Можно измерить работу, скажем, количеством сожженного бензина или потраченной электроэнергии. Однако в
таком случае нам пришлось бы добавочно находить рассеянную энергию, что
обычно сопряжено с большими трудностями.
Кроме того, двигатели могут быть самыми различными, а в таком случае
мы не получим возможности единообразно измерять одну и ту же физическую величину. Последнее при любых измерения очень важно. Поэтому естественно обратиться к последнему звену цепи преобразований и измерять работу поднятия груза на высоту.
Тогда мы увидим, что количество совершенной работы зависит от обеих условий сразу: от величины груза и от высоты подъема. Зависимость такова: чем
больше величина груза, тем больше работа, и чем больше высота подъема, тем
больше работа. Математически ясно, что такая зависимость от двух величин
(называемая прямой пропорциональностью) выражается их произведением.
Но работа совершается не только при подъеме. Работа совершается также
при движении вагонетки по рельсам или при вращении мельничного жернова. В этих случаях тело остается на прежней высоте, однако оно перемещается
в пространстве. В общем случае место высоты занимает путь, а место груза
(веса) — сила, которая может быть силой тяжести, силой трения, силой инерции или любой другой, т.е:
Работа измеряется произведением величины той силы, которая двигает тело, и длины пройденного пути.
Кратко:
Работа = Сила × Путь ⇒или ⇐A = Fl,
где A, F, l — обозначения, соответственно, для работы, силы и пути.

Глава первая. Начальные понятия
9
Для того чтобы формула была правильной, нужно добавить, что сила и
путь должны быть направлены одинаково, так как только сила, совпадающая
по направлению с путем перемещения, совершает работу. Если же сила направлена как-то иначе, то всегда можно разложить ее на составные части, из
которых одна будет совпадать с направлением перемещения (пути), а другая
будет перпендикулярна. Можно сказать, что сила перпендикулярная, скажем,
к направлению рельсов (т. е. направлению движения), не будет двигать вагоны, а значит, не будет совершать работы.
Разложению поддается не только сила, но и путь. Стрела крана, поднимая
и одновременно перемещая груз, будет работать против силы тяжести только
при подъеме, при этом работа определяется не всем путем пройденным грузом, а только той его составляющей, которая определяет подъем.
1.2. Масса. Сила. Ускорение
Поднимая тело, мы прикладываем к нему силу, которая преодолевает
силу притяжения к земле — силу тяжести. Действие этой силы на свободное
тело выражается в том, что тело падает на землю с равномерно увеличивающейся скоростью.
Приращение скорости, отнесенное к промежутку времени, за который оно произошло, называется ускорением.
Ускорение = Скорость в конце
Скорость в начале
Промежуток време
−
ни
⇒или w
v
v
t
=
−
1
2 .
Если поезд, двигаясь равномерно-ускоренно, за 10 с увеличил свою скорость с 7 до 12 м/с, то его ускорение за это время было:
w =
−
12
7
10
м с
м с
с
= 0,5 м/c2.
Ускорение и сила. Ускорение, сообщаемое свободно падающему телу силой тяжести, почти неизменно во всех точках земного шара и составляет 9,81 м/с за 1 с, или 9,81 м/с2. Если приложить к телу другую силу, кроме
силы тяжести, то его ускорение изменится, так как изменится действующая
на него сила. Например, ускорение парашютиста, падающего с открытым парашютом, намного меньше, чем 9,81 м/с2, так как на него, кроме силы тяжести, действует еще тормозящая сила сопротивления воздуха, которая вычитается из силы тяжести. На этом и основано применение парашюта: сопротивление воздуха раскрытому парашюту очень велико. Особенно наглядно это
проявляется при затяжном прыжке.
Если величина приложенной силы больше, чем сила тяжести, и направлена не к земле, как она, а от земли, то тело начинает подниматься с ускорением. Например, ракета или груз, поднимаемый краном.

Глава первая. Начальные понятия
Измерение силы. Как было сказано выше, сила пропорциональна ускорению, т. е. чем больше ускорение тела, тем больше сила, вызывающая это ускорение.
Так как путь может служить мерой совершенной работы при постоянной
приложенной силе, приложенной к нему. Но для этого нужно, чтобы тело
было все время одно и то же, так как ясно, что если мы сообщим одинаковые
ускорения пустой тележке и тележке с грузом, то в первом случае потребуется
гораздо меньшая сила. Следовательно, вторым сомножителем пропорциональности в нашей формуле будет масса материи, которой сообщено ускорение, или просто масса:
Сила = Масса × Ускорение.
Это основной закон механики, и он называется по имени, впервые точно
сформулировавшего его ученого, вторым законом Ньютона (из трех основных
законов, сформулированных им).
Вес — это сила тяжести, приложенная к массе, и его нельзя отождествлять с массой. Снаряд, отправленный с земли на луну, сохраняет неизменной свою массу, в то время как его вес изменяется
(как?).
1.3. Измерение работы
Вернемся к измерению работы. Мы установили, что работа равна произведению силы и пути. В свою очередь сила равна произведению массы и ускорения. Но так как силу, обычно, можно измерить непосредственно, то формулой
A = Fl
чаще всего пользуются для подсчета работы.
Мы тянем тележку по рельсам. Пружинный динамометр (прибор для измерения силы) показывает, например, что приложенная сила равна 25 Н, а
прикладывая рулетку к рельсам между точкой начала и конца пути, мы измеряем пройденный путь и находим, например, что он равен 4 м. Тогда совершенная работа будет:
A = 25 Н ⋅4 м = 100 Нм = 100 Дж.
Работа силы в один ньютон на пути в один метр называется джоулем (Дж).
Однако джоуль — это очень маленькая единица работы. Взрослый человек, поднявшись на одну ступеньку, совершает работу по подъему своего тела,
равную 170 Дж. Поэтому наравне с джоулем употребляется единица в 1000 раз
большая — 1 кДж. Предположим, что мы подняли массу в 1 кг на высоту од