Электротехника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РИНХ) 
 
 
 
 
 
 
 
 
Н.Е. Шейдаков 
 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону 
2018 

УДК 621.313  
ББК 31.21 
Ш 36 
 
Шейдаков, Н.Е. 
Ш 36 
Электротехника : учеб. пособие / Н.Е. Шейдаков. – 
Ростов н/Д : Издательско-полиграфический комплекс Рост. гос. 
экон. ун-та (РИНХ), 2018. – 164 с.  
ISNB 978-5-7972-2434-1 
 
В учебном пособии кратко изложены теоретические основы электротехники, предусмотренные программой обучения в соответствии с требованиями по подготовке бакалавров. Издание соответствует требованиям 
Федерального государственного образовательного стандарта высшего 
профессионального образования по направлению 10.03.01 «Информационная безопасность». 
Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
студентов 
факультета 
компьютерных технологий и информационной безопасности РГЭУ 
(РИНХ). 
УДК 621.313  
ББК 31.21 
 
Автор 
Шейдаков Н.Е. 
к.ф-м.н., доцент кафедры информационных технологий и защиты информации 
Рецензенты 
Богатин А.С.   
 
д.ф.-м.н., зав. каф. общей физики ЮФУ; 
Серпенинов О.В. 
к.т.н., доцент каф. информационных 
технологий и защиты информации 
РГЭУ (РИНХ) 
 
Утверждено в качестве учебного пособия  
редакционно-издательским советом РГЭУ (РИНХ). 
 
ISNB 978-5-7972-2434-1 
 Ростовский государственный 
экономический 
университетт 
(РИНХ), 2018 
 
 Шейдаков Н.Е., 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ 
И ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ .......................... 5 
1.1 Основные понятия и характеристики электромагнитного поля .... 5 
1.2 Основные понятия и законы электрических и магнитных  
цепей ................................................................................................................... 11 
2 ТЕОРИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ................................ 28 
2.1 Цепи постоянного тока ..................................................................... 28 
2.2 Цепи синусоидального тока ............................................................. 34 
2.3 Методы расчета линейных цепей  синусоидального тока ............ 44 
2.4 Цепи несинусоидального тока ......................................................... 51 
3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ .......................... 57 
3.1 Трехфазные цепи: основные понятия н определения ................... 57 
3.2 Соединения звездой и треугольником ............................................ 59 
3.3 Свойства симметричных трехфазных цепей. Основные расчетные 
соотношения ...................................................................................................... 62 
4 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ .................... 65 
4.1 Вращающееся магнитное поле ........................................................ 65 
4.2 Асинхронный трехфазный двигатель ............................................. 68 
4.3 Принцип действия синхронного генератора .................................. 76 
4.4 Электрические машины постоянного тока ..................................... 80 
5 ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ......................................................... 85 
5.1 Классификация и область применения ........................................... 85 
5.2 Электрическая схема и принцип действия ..................................... 85 
5.3 Особенности трехфазных трансформаторов .................................. 87 
5.4 Полная схема замещения трансформатора ..................................... 89 
5.5 Экспериментальное определение параметров схемы замещения 
трансформаторов ............................................................................................... 91 
6 ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ И МЕТОДЫ ИХ 
РАСЧЕТА ........................................................................................................... 94 
6.1 Классический метод расчета переходных процессов ................... 94 
6.2 Операторный метод расчета переходных процессов .................. 101 
7 НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ  
ПОСТОЯННОГО И ПEPEMEHHOГO ТОКА .............................................. 111 
7.1 Нелинейные электрические и магнитные цепи постоянного  
тока .................................................................................................................... 111 
7.2 Нелинейные электрические и магнитные цепи переменного  
тока .................................................................................................................... 119 
8 ВЫПРЯМИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ............................. 127 
8.1 Основные характеристики выпрямителей .................................... 127 
8.2 Схемы выпрямителей ..................................................................... 128 

9 ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЭКРАНИРОВАНИЕ ........................................ 138 
9.1 Основные понятия и физические процессы ................................. 138 
9.2 Виды экранирования и области их применения .......................... 140 
10 ДЛИННЫЕ ЛИНИИ ................................................................................... 146 
10.1 Телеграфные уравнения ............................................................... 146 
10.2 Соотношение между напряжением и током. Волновое 
сопротивление ................................................................................................. 149 
10.3 Отражение волн. Согласование линии и нагрузки .................... 152 
10.4 Входное сопротивление нагруженной линии ............................ 155 
10.5 Способы согласования: резистор, шлейф, четвертьволновая 
линия ................................................................................................................. 157 
10.6 Реальная линия с потерями .......................................................... 160 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................... 163 

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ТЕОРИИ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ 
1.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ 
1.1.1 Электромагнитное поле как вид материи 
Электромагнитное поле (ЭМП) – это особый вид материи, 
характеризующийся совокупностью взаимно связанных и взаимно обусловливающих друг друга электрического и магнитного 
полей [1]. 
Напомним известные из курса физики наиболее значимые 
для дальнейшего изложения материала свойства ЭМП. 
ЭМП характеризуется непрерывным распределением в пространстве, например, в виде электромагнитной волны в вакууме, 
и вместе с тем оно может существовать в виде квантов излучѐнного ЭМП, например, фотонов. 
ЭМП оказывает силовое воздействие на электрические заряды. 
Электрическое и магнитное поля могут быть изменяющимися и неизменными во времени. 
Любое электромагнитное явление, рассматриваемое в целом, характеризуется двумя сторонами – электрической и магнитной, между которыми существует тесная связь. 
Вместе с тем можно создать условия, когда в некоторой области пространства заметно проявление только электрических 
или только магнитных явлений. Таковыми являются, например, 
случай заряженных неподвижных проводящих тел, вне которых 
обнаруживается только электрическое поле, или в пространстве, 
окружающем неподвижные постоянные магниты, обнаруживается только магнитное поле. 
Однако если рассматривать явление в целом, нетрудно 
усмотреть как электрическую, так и магнитную его стороны. Так, 
в случае с постоянными, магнитами в окружающем магниты пространстве взаимно компенсируются электрические поля элементарных частиц, образующих вещество магнитов, вследствие равенства суммарных зарядов положительно и отрицательно заря

женных частиц. Магнитные же поля вследствие согласованного 
движения частиц, возникшего при намагничивании магнитов, 
суммируются в пространстве, окружающем магниты. 
Таким образом, и в случаях, когда в некоторой области пространства обнаруживается только одно из полей (электрическое 
или магнитное), явление в целом оказывается электромагнитным. 
В переменном ЭМП само электрическое поле возникает вследствие изменения во времени магнитного поля и в свою очередь 
возникновение магнитного поля является результатом изменения 
во времени электрического поля. 
Электрическое поле создается электрическими зарядами, а 
также изменяющимся магнитным полем. 
Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, а также изменяющимся электрическим полем. 
Для обнаружения электрического и магнитного полей, являющихся двумя сторонами единого электромагнитного поля, 
можно воспользоваться тем или иным их проявлением. 
Электрическое поле принято определять по механическим 
силам, которые испытывают неподвижные заряженные тела, вносимые в это поле. Поэтому можно дать следующее определение: 
Электрическое поле – это одна из сторон электромагнитного 
поля, обусловленная электрическими зарядами и изменением 
магнитного поля, оказывающая силовое воздействие на заряженные частицы и тела и выявляемая по силовому воздействию на 
неподвижные заряженные частицы и тела. 
Простейшим случаем электрического поля является поле 
неподвижных электрически заряженных тел, называемое электростатическим. 
Если скорость движения в электромагнитном поле заряженного точечного тела или заряженной частицы отлична от нуля, то, 
как показывает опыт, на них действует дополнительная сила, 
возникновение которой обусловлено наличием магнитного поля. 
Магнитным полем называется одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная движущимися заряженными частицами и изменением электрического поля, оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы и выявляемая по силовому воздействию, направленному нормально 

к направлению движения этих частиц и пропорциональному их 
скорости. 
Таким образом, в каждой точке поля и в каждый момент 
времени заряженная частица испытывает вполне определѐнную 
по величине и направлению механическую силу. 
 
1.1.2 Величины, характеризующие электромагнитное поле 
Основной физической величиной, характеризующей электрическое поле в каждой его точке, является напряженность 
электрического поля. 
Напряженность электрического поля – это силовая характеристика поля, равная отношению механической силы, действующей на неподвижное положительно заряженное тело, помещенное в данную точку поля, к величине заряда этого тела. 
Напряженность электрического поля изображают вектором 
E
, совпадающим по направлению с вектором F
, действующей на 
положительно заряженное тело с зарядом q. Следовательно, с 
учетом закона Кулона, определяющего силу взаимодействия 
между зарядами, получим: 
,
4
2
o
o
r
r
q
q
F
E







 
  
(1.1) 
где r – расстояние от заряда до точки, в которой определяют 
напряженность поля, измеряемое в метрах (м); 
rо – единичный вектор; 
o – электрическая постоянная, измеряемая в фарадах на 
метр (Ф/м). 
В системе СИ сила измеряется в ньютонах (Н), заряд измеряется в Кулонах (Кл). При этом напряженность электрического 
поля, как следует из формулы (1.1), измеряется в Кл/(Ф/м.м2) = 
В/м (Вольт на метр). 
Определив напряженность поля во всех его точках, можно 
провести ряд линий так, чтобы в каждой точке этих линий касательные к ним совпадали по направлению с вектором напряженности поля. Эти линии называют линиями напряженности электрического поля. На рисунке их снабжают стрелками, указывающими направление вектора E
. Совокупность таких линий образу

ет картину электрического поля. Например, на рисунке 1.1 изображена картина электрическою поля двух неподвижных заряженных тел: с положительным зарядом q1 и отрицательным зарядом q2. 
 
 
Рисунок 1.1 – Электрическое поле 
При рассмотрении макроскопических процессов в электротехнических устройствах обычно усредняют во времени и в пространстве микроскопические неоднородности, являющиеся результатом того, что изучаемые процессы в действительности 
представляют собой совокупность огромного числа элементарных процессов. Поэтому вещество характеризуют усредненными 
параметрами и называют средой. 
Однородной называют среду, которая во всех элементах 
объема обладает одинаковыми физическими свойствами. Изотропной называют среду, обладающую в каждом элементе объема одинаковыми свойствами во всех направлениях. 
Пусть неподвижное заряженное тело с зарядом q расположено в однородном и изотропном диэлектрике. Представим в 
электрическом поле поверхность S, ограниченную некоторым 
контуром (рис. 1.2). Обозначим , угол между вектором E
 и 
условно выбранной положительной нормалью N к поверхности в 
некоторой еѐ точке. 
Составляющая вектора E
, нормальная к элементу поверхности dS, равна 


cos
E
En
. Поток вектора напряженности электрического поля сквозь поверхность S определяется выражением:  






S
S
E
S
d
E
dS
E
,
cos


  
 
 
(1.2) 

где dS – вектор, длина которого численно равна площади поверхности элемента dS, а направление совпадает с направлением положительной нормали к этому же элементу. 
Рисунок 1.2 – К определению потока вектора E
 
Рассмотрим замкнутую поверхность, ограничивающую 
часть диэлектрической среды с проницаемостью  = 1, в которой 
находится рассматриваемое нами тело с зарядом q. Поверхность 
S, изображенная на рисунке 1.2, представляет собой след этой поверхности в плоскости рисунка. 
Теорема Гаусса устанавливает связь между потоком вектора 
напряженности электрического поля E
 сквозь эту замкнутую поверхность с величиной заряда q. Математическое выражение этой 
связи имеет вид: 



S
o
q
S
d
E


 
 
 
 
(1.3) 
В ряде случаев электрическое поле удобно характеризовать 
не напряженностью, а электрической индукцией D
. В однородной и изотропной среде напряженность и индукция электрического поля связаны соотношением: 
E
D
o




. 
Основная физическая величина, характеризующая магнитное поле в каждой его точке, называется магнитной индукцией. 
Магнитная индукция есть векторная величина, которая изображается вектором B
. 
Если заряженное точечное тело или заряженная частица 
движется в электромагнитном иоле со скоростью v, то на неѐ дей

ствует сила F
 со стороны магнитного поля, перпендикулярная 
вектору скорости v и пропорциональная величине скорости v. 
Кроме того, сила F
 пропорциональна величине магнитной 
индукции, причем имеет место равенство: 
].
[ B
v
q
F




  
 
 
 
(1.4) 
Направление магнитной индукции совпадает с поступательным перемещением правого винта при вращении его от направления механической силы к направлению движения. Единицей 
измерения магнитной индукции является тесла (Тл). 
Графически магнитное поле изображается с помощью линий 
магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называются 
кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с 
направлением вектора магнитной индукции в этих точках поля 
(рис. 1.3). 
Для удобства практических расчетов полей Максвелл ввел в 
теорию ещѐ одну векторную характеристику магнитного поля – 
напряженность магнитного поля H
. 
Рисунок 1.3 – Магнитное поле постоянного магнита 
В изотропной среде вектор напряженности Н связан с вектором магнитной индукции соотношением: 
H
B
o




,  
 
 
 
(1.5) 
где µo – магнитная постоянная, измеряемая в генри на метр 
(Гн/м). 
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на 
метр (А/м). 
Магнитный поток Ф через некоторую поверхность S – это 
поток вектора магнитной индукции через эту поверхность: 






S
S
S
d
B
dS
B
.
cos


 
 
 
(1.6) 
Единицей магнитного потока является вебер (Вб).