Физика. От теории к практике. Книга 2: Электричество, магнетизм. Теория, методы расчета, практические устройства: карманный справочник

Карманный справочник
ФИЗИКА.
ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ
Книга 2
Электричество,
магнетизм.
Теория,
методы расчета,
практические устройства

J o h n  B i r d
N e w n e s
Engineering
Science
P o c k e t  B o o k
T h i r d  e d i t i o n

Д ж о н  Б ё р д
К а р м а н н ы й  с п р а в о ч н и к
Физика.
От теории
к практике
Книга 2
Электричество, 
магнетизм.
Теория, 
методы расчета,
практические устройства
Москва
— 1 —
ДМК Пресс, Додэка, 2019

УДК 53(035)
ББК 22.3я2
Б48
Бёрд Дж.
Физика. От теории к практике. В 2 кн. Кн. 2: Электричес
Б48
тво, магнетизм. Теория, методы расчета, практические уст
ройства: Карманный справочник/Пер. с англ. — М.: ДМК
Пресс». — 560 с.: ил. (Серия «Карманный справочник»)
ISBN 9785970606841
В популярном справочнике «Физика. От теории к практи
ке» (перевод британского справочника «Newnes Engineering
Science», выдержавшего три издания) представлены методы,
формулы, диаграммы и справочные данные основных разде
лов физики.
Для удобства читателей в русском варианте справочник
издаётся в двух книгах. Первая содержит сведения по механи
ке (с элементами сопротивления материалов, деталей машин
и механизмов), оптике, термо и гидродинамике. Вторая пос
вящена электричеству и магнетизму (с элементами электро
техники, электроники и радиотехники). Справочник уника
лен, его характерной особенностью является нечасто встреча
ющееся в популярной отечественной литературе сочетание
теоретических положений с их практическим применением.
Вторая книга справочника насыщена описаниями элект
ротехнических устройств – от элементарных конденсаторов,
электромеханических реле и электрических звонков до мощ
ных электродвигателей и электрогенераторов. Уделено вни
мание устройству полупроводниковых приборов и расчетам
схем, содержащих такие приборы. Подробно изложены мето
ды расчетов электрических схем постоянного и переменного
тока, в том числе с привлечением комплексных чисел. Не за
быты принципы работы и применение операционных усили
телей, цифроаналоговых и аналогоцифровых преобразова
телей. Кратко рассмотрены способы передачи и особенности
прохождения электрических сигналов по каналам связи.
Справочник адресован широкому кругу читателей — сту
дентам, учащимся технических колледжей, инженерам и
всем, интересующимся техникой. Он особенно полезен прак
тикам, желающим повысить уровень теоретических знаний, а
также позволяет в необходимых случаях освежить свой науч
ный багаж и вспомнить полузабытые формулы.
УДК 53(035)
ББК 22.3я2
Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспро
изведена в любой форме или любыми средствами, электронными или механи
ческими, включая фотографирование, ксерокопирование или иные средства
копирования или сохранения информации, без письменного разрешения из
дательства.
This edition of Newnes Engineering Science Pocket Book by John Bird is
published by arrangement with. Elsevier Ltd, The Boulevard, Langford Lane,
Kidlington, OX5 1GB, England.
          © John Bird
ISBN 0*7506*4991*7 (англ.)
     © Перевод, макет, ДодэкаXXI
ISBN 978*5*97060*684*1 (рус.)           
              Издание, ДМК Пресс, 2019
          © 

ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть третья. ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ И МАГНИТОВ 
К ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРАМ, ТРАНЗИСТОРАМ И КАНАЛАМ 
СВЯЗИ.............................................................................................. 19
40. Введение в электрические цепи.................................................... 20
Символьные обозначения электрических компонентов.......... 20
Блоксхемы электрических/электронных систем .................... 20
Электрический ток и количество электричества ...................... 22
Электрический потенциал и ЭДС .............................................23
Сопротивление и проводимость................................................24
Основные электроизмерительные приборы ............................. 25
Линейные и нелинейные компоненты электрических схем .... 25
Закон Ома ...................................................................................26
Множители и делители .............................................................. 27
Проводники и изоляторы .......................................................... 27
Электрическая мощность .......................................................... 28
Электроэнергия.......................................................................... 28
Основные эффекты электрического тока ................................. 29
Предохранители ......................................................................... 29
41. Электрическое сопротивление материалов.................................. 31
Сопротивление и удельное сопротивление............................... 31
Температурный коэффициент сопротивления ......................... 32
Цветовое кодирование резисторов и их омические
значения ..................................................................................... 34
Цветовой код для постоянных резисторов.......................... 34
Буквенный и цифровой код для резисторов ....................... 35
42. Химические эффекты электричества........................................... 36
Электролиз ................................................................................. 36
Электролитическое осаждение.................................................. 36
Г
альванический элемент ............................................................ 37
Поляризация......................................................................... 38
Саморазряд ........................................................................... 38
Свойства электродных пар...................................................38
Коррозия..................................................................................... 39
ЭДС и внутреннее сопротивление гальванического элемента. 39
Первичные элементы................................................................. 41
Элемент Лекланше ............................................................... 42
Ртутный элемент...................................................................42

Вторичные элементы..................................................................42
Кислотный аккумулятор ......................................................43
Щелочной аккумулятор .......................................................44
Ёмкость гальванического элемента...........................................45
43. Последовательные и параллельные цепи .....................................47
Последовательные цепи.............................................................47
Делитель напряжения ................................................................48
Параллельные цепи....................................................................49
Распределение тока ....................................................................50
Лампы накаливания в последовательном и параллельном 
включении ..................................................................................52
Последовательное соединение.............................................52
Параллельное соединение....................................................53
44. Ёмкость и конденсаторы ..............................................................54
Электростатическое поле...........................................................54
Напряжённость электрического поля .......................................55
Ёмкость.......................................................................................56
Конденсаторы.............................................................................57
Плотность электрического потока ............................................57
Диэлектрическая проницаемость..............................................58
Плоский конденсатор ................................................................59
Последовательно и параллельно соединённые 
конденсаторы .............................................................................60
Конденсаторы, соединённые параллельно .........................60
Конденсаторы, соединённые последовательно ..................62
Электрическая прочность ..........................................................64
Энергия заряженного конденсатора..........................................65
Конструкции конденсаторов .....................................................65
Разрядка конденсаторов.............................................................68
45. Магнитные цепи ..........................................................................69
Магнитные поля.........................................................................69
Магнитный поток и плотность потока......................................70
Магнитодвижущая сила и напряжённость магнитного поля...71
Магнитная проницаемость и кривые намагничивания............72
Магнитное сопротивление.........................................................74
Комбинированные последовательные магнитные цепи ..........74
Аналогия между электрическими и магнитными 
величинами.................................................................................75
Г
истерезис и потери на гистерезис ............................................75
Г
истерезисная петля .............................................................75
Потери на гистерезис ...........................................................76
Потери на вихревые токи...........................................................79
Графический метод определения потерь на гистерезис 
и вихревые токи..........................................................................81

46. Магнитные материалы................................................................. 83
Магнитные свойства материалов .............................................. 83
Диамагнетизм и парамагнетизм........................................... 83
Ферромагнетизм и ферромагнитные материалы ................84
Непостоянные магнитные материалы....................................... 86
Сплав кремний—железо....................................................... 86
Железоникелевый сплав ...................................................... 88
Порошковый сердечник....................................................... 88
Ферриты................................................................................89
Постоянные магнитные материалы .......................................... 89
47. Электромагнетизм ....................................................................... 91
Магнитное поле электрического тока....................................... 91
Электромагниты......................................................................... 93
Электрический звонок ......................................................... 94
Реле ....................................................................................... 94
Подъёмные магниты ............................................................ 95
Телефонный аппарат ............................................................ 96
Проводник с током в магнитном поле ...................................... 96
Сила, действующая на проводник....................................... 96
Громкоговоритель................................................................. 97
Правило левой руки .............................................................98
Принцип работы простейшего электродвигателя 
постоянного тока........................................................................ 99
Принцип работы магнитоэлектрических 
измерительных приборов......................................................... 100
Сила, действующая на заряд.................................................... 101
48. Электромагнитная индукция и индуктивность........................... 103
Электромагнитная индукция................................................... 103
Законы электромагнитной индукции ..................................... 104
Индуктивность ......................................................................... 106
Катушки индуктивности.......................................................... 107
Энергия, запасённая катушкой индуктивности ..................... 108
Индуктивность катушки .......................................................... 109
49. Магнитосвязанные контуры ...................................................... 110
Взаимная индуктивность ......................................................... 110
Коэффициент связи ................................................................. 111
Катушки индуктивности, соединённые последовательно ..... 112
Связанные контуры.................................................................. 113
Вторичная обмотка без нагрузки ....................................... 114
Вторичная обмотка с нагрузкой......................................... 115
Резонанс с подстроечным конденсатором ........................ 117
Правило точки для связанных контуров ................................. 118

50. Электрические измерительные приборы и измерения................ 121
Аналоговые измерительные приборы ..................................... 121
Электромагнитные измерительные приборы.................... 122
Выпрямительные детекторные приборы........................... 123
Магнитоэлектрические измерительные приборы............. 123
Сравнение измерительных приборов ................................ 124
Шунтирующие и балластные резисторы................................. 125
Электронные измерительные приборы................................... 126
Омметр...................................................................................... 127
Универсальные измерительные приборы................................ 128
Ваттметры ................................................................................. 128
Эффект «нагрузки»................................................................... 129
Электроннолучевой осциллограф.......................................... 129
Децибелы (отношения логарифмов) ....................................... 132
Нулевой метод измерений ....................................................... 134
Мост сопротивлений Уитстона................................................ 135
Потенциометр постоянного тока ............................................ 135
Куметр (измеритель добротности)........................................... 136
Ошибки измерений .................................................................. 137
Ошибки в пределах применимости прибора..................... 137
Ошибки оператора.............................................................. 137
Ошибки изза вносящего помехи измерительного 
прибора ............................................................................... 138
51. Полупроводниковые диоды........................................................ 139
Проводники, полупроводники, изоляторы............................. 139
Кремний и германий................................................................ 140
Материалы n и pтипа............................................................. 140
pnпереход ............................................................................... 141
Прямое и обратное смещение.................................................. 143
Полупроводниковые диоды..................................................... 145
Выпрямитель переменного тока.............................................. 146
52. Транзисторы............................................................................... 148
Биполярный транзистор .......................................................... 148
Принцип работы транзистора.................................................. 150
Обозначения транзисторов в схемах ....................................... 152
Схемы включения транзисторов.............................................. 152
Рабочие характеристики транзисторов ................................... 153
Схема с общей базой........................................................... 153
Схема с общим эмиттером ................................................. 154
Методика получения характеристик транзистора .................. 155
Транзистор как усилитель ........................................................ 156
Усилитель с общей базой.................................................... 156

Усилитель с общим эмиттером........................................... 157
Линия нагрузки ........................................................................ 160
Коэффициенты усиления по току и напряжению .................. 163
Тепловой пробой и способы его предотвращения ................. 164
Способ первый ................................................................... 165
Способ второй .................................................................... 166
53. Теория цепей постоянного тока.................................................. 167
Введение ................................................................................... 167
Законы Кирхгофа..................................................................... 167
Принцип суперпозиции........................................................... 170
Предварительный анализ цепей постоянного тока ................ 172
Теорема Тевенина—Г
ельмгольца.............................................. 176
Г
енератор неизменяющегося постоянного тока ..................... 178
Теорема Нортона ...................................................................... 179
Эквивалентные схемы Тевенина и Нортона ........................... 180
Теорема о максимуме отдаваемой мощности.......................... 182
54. Переменный ток и напряжение переменного тока...................... 184
Введение ................................................................................... 184
Г
енератор переменного тока .................................................... 184
Форма сигналов переменного тока ......................................... 185
Величины переменного тока ................................................... 186
Уравнение гармонической волны............................................ 189
Сложение и вычитание синусоидальных величин.................. 191
Выпрямление переменного тока ............................................. 193
55. Однофазные последовательные цепи переменного тока ............ 194
Цепь переменного тока с чисто активным 
сопротивлением ....................................................................... 194
Цепь переменного тока с чисто индуктивным 
сопротивлением ....................................................................... 194
Цепь переменного тока с чисто ёмкостным 
сопротивлением ....................................................................... 195
Последовательные RL цепи переменного тока ..................... 196
Последовательные RC цепи переменного тока ..................... 198
Последовательные RLC цепи переменного тока.................. 200
Последовательно соединённые импедансы ...................... 201
Резонанс последовательного контура................................ 202
Добротность........................................................................ 204
Полоса частот ..................................................................... 205
Избирательность резонансного контура ........................... 206
Мощность цепей переменного тока........................................ 206
Треугольник мощностей и коэффициент мощности.............. 208
56. Однофазные параллельные цепи переменного тока................... 210
Введение ................................................................................... 210

RL параллельная цепь переменного тока .............................. 210
RC параллельная цепь переменного тока............................... 212
LC параллельная цепь............................................................. 213
LRC параллельная цепь переменного тока........................... 214
Параллельный резонанс и добротность .................................. 218
Параллельный резонанс..................................................... 218
Резонансная частота........................................................... 218
Резонансное сопротивление .............................................. 219
Заграждающий фильтр ....................................................... 219
Добротность........................................................................ 219
57. Переходные процессы в цепях постоянного тока....................... 221
Введение ................................................................................... 221
Зарядка конденсатора .............................................................. 221
Постоянная времени для RC цепи.......................................... 223
Кривые переходного процесса RC цепи................................. 223
Разрядка конденсатора............................................................. 226
Рост силы тока в LR цепи ....................................................... 228
Постоянная времени LR цепи................................................ 230
Кривые переходного процесса LR цепи................................. 230
Спад тока в LR цепи................................................................ 231
Переключаемые индуктивные цепи........................................ 233
Влияние постоянной времени на сигнал прямоугольной 
формы ....................................................................................... 234
Интегрирующая цепь ......................................................... 234
Дифференцирующая цепь.................................................. 235
58. Операционные усилители........................................................... 236
Введение ................................................................................... 236
Передаточная характеристика ........................................... 237
Отрицательная обратная связь........................................... 238
Ширина полосы частот ...................................................... 238
Некоторые параметры ОУ........................................................ 239
Входной ток ........................................................................ 239
Разность входных токов ..................................................... 239
Входное напряжение смещения......................................... 239
Коэффициент ослабления синфазного сигнала ............... 239
Скорость нарастания выходного напряжения .................. 240
ОУ в качестве инвертирующего усилителя.............................. 240
Коэффициент усиления ..................................................... 241
Входной импеданс.............................................................. 242
ОУ в качестве неинвертирующего усилителя.......................... 243
Коэффициент усиления ..................................................... 243
Входной импеданс.............................................................. 244
ОУ в качестве повторителя напряжения ................................. 244