книги из ГПНТБ / Теория линейных электрических цепей учеб. пособие

ТЕОРИЯ

ЛИНЕЙНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ЦЕПЕЙ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образовании СССР

в качестве учебного пособия для студентов радиотехнических специальностей вузов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1973

592 с. с илл.

Перед загл. авт.: Б. П. Афанасьев, О. Е. Гольдин, И. Г. Кляцкин, і Г. Я. Пинес. !

смотрены теория одиночных и связанных колебательных контуров, цепи с рас­

А в т о р ы :

Б. П. Афанасьев, 0. Е. Гольдин, И. Г. Кляцккн, Г. Я. Пинес

© Издательство «Высшая школа», 1973

В В Е Д Е Н И Е

Теория линейных электрических цепей, рассматриваемая в этой книге, является основой электротехники, радиотехники и электро­ связи.

Под электротехникой понимают область техники, в которой используют электромагнитные явления для энергетических целей, т. е. для создания, передачи и потребления электрической энергии.

Известно, какое большое значение приобрела электротехника в жизни человеческого общества XX века. Электрическая энергия является основой современного промышленного развития и глубоко внедрилась в быт каждого человека.

Создатель Коммунистической партии и нашего государства В. И. Ленин неоднократно указывал на первостепенную важность электрификации страны. Его определение «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны» подчеркивает значение проблемы. Недаром В. И. Ленин называл первый план электрификации (ГОЭЛРО) второй программой партии. Рост энерго­ вооруженности Советского Союза благодаря заботам партии и пра­ вительства достиг небывалых в истории человечества размеров. По приросту мощности электростанций Советский Союз уже много

перспективы развития электроэнергетики. Перед Великой Отече­

Электросвязь. Сначала в электротехнику входило все, что было связано с применением электромагнитных явлений в технике, но постепенно от нее отделились самостоятельные отрасли техники, не имевшие прямого отношения к энергетике. В частности, выдели­ лась особая область техники, в которой используются электромаг­ нитные явления для передачи информации. Ее можно назвать «электросвязью».

Передача информации происходит следующим образом. Сооб­ щения, которые необходимо передать, превращаются вначале в электрические сигналы, т. е. в токи или напряжения, изменяющиеся

4

во времени. Затем электрическая энергия, несущая эти сигналы, поступает в место приема, где они вновь преобразуются в сообщения. Следовательно, в электросвязи, как и в электротехнике, передается электрическая энергия, но не в энергетических целях, а для пере­ дачи сигналов. Поэтому основной целью техники электросвязи является недостижение наибольшего к. п. д., что имеет место в элек­ троэнергетических системах, а передача сигналов с наибольшей достоверностью, т. е. с наименьшими возможными искажениями.

В передачу информации входят передачи знаков, букв и цифр (телеграфия), звуков речи и музыки (телефония), неподвижных и меняющихся изображений (фототелеграфия и телевидение), пере­ дача данных, в частности, результатов измерений (телеметрия), передача команд управления (телемеханика) и т. д.

Передачу электрической энергии, несущей сигналы, которая осуществляется так же, как в электротехнике, по проводам, сое­ диняющим место передачи с местом приема, называют проводной связью. Но электромагнитную энергию можно передавать с неболь­ шим к. п. д. и без проводов, используя электромагнитные волны, распространяющиеся в свободном пространстве. Область техники, в которой применяют электромагнитные волны, называется радио­ техникой. Если информация передается радиотехническими сред­ ствами, то говорят о радиотелеграфии, радиотелефонии, радио­ телеметрии, радиотелемеханике и т. д.

Особое значение имеет передача информации радиотехническими средствами из одного центра многочисленным слушателям, называ­ емая радиовещанием. В Советском Союзе регулярное радиовеща­ ние началось в 1924 г. «Газета без бумаги и расстояний», — так

и телевидение так прочно вошли в нашу повседневную жизнь, что молодому поколению трудно себе представить, как жили люди до начала радиовещания.

Радиоэлектроника. Радиотехника не ограничивается решением задач, относящихся к радиосвязи. Развились и получили большое значение близкие к радиосвязи отрасли техники, например радио­ локация (обнаружение самолетов, судов и других объектов с помо­ щью отраженных электромагнитных волн и определение их место­ нахождения) и радионавигация (определение своего местоположения на основе принимаемых радиосигналов). Без радиолокации и радио­ навигации невозможны вождение морских судов, полеты реактивных самолетов, ракет и всех космических объектов.

Кроме того, радиотехнические устройства применяют для реше­ ния ряда задач, не имеющих ничего общего с радиосвязью (для по­ верхностной закалки стали, сушки дерева, очистки зерна от насе­ комых при его хранении, скоростной варки пищи, внутренних прогреваний в медицинской практике и т. д.).

Важно отметить, что с развитием радиотехники появились электронные приборы: электронная лампа, транзистор и т. п.

5

Большое количество радиотехнических схем с электронными приборами применяется в технологических процессах различных отраслей промышленности (атомная энергетика, химия, машино­ строение и т. д.), в измерительных устройствах для физических, химических и биологических исследований, в диагностической меди­ цинской аппаратуре. Поэтому «радиоэлектроникой» называют ту отрасль техники, которая решает задачи с помощью радиотехниче­ ских схем и методов, основываясь на электронной аппаратуре. Таким образом, в радиоэлектронику входят вся электросвязь (включая радиосвязь), радиолокация, радионавигация, большинство автома­ тических и телемеханических устройств, громадное число прибо­ ров, применяемых в науке и технике. Применение радиоэлектро­ ники расширяется, но и приведенных примеров достаточно, чтобы понять ее значение.

Телеграфия. Техническое применение электрических и маг­

Начало электротехники связано прежде всего с открытием источ­ ников электрического тока; когда после исследований Гальвани и Вольта последним в 1800 г. была изобретена батарея, которая дли­ тельное время давала постоянный ток, стало возможным широкое практическое применение электромагнитных явлений. Большое

После того как Эрстед в 1820 г. открыл явление воздействия тока на магнитную стрелку, Ампер создал полную теорию электро­ динамических явлений, с помощью которой можно определить меха­ нические силы, возникающие между проводниками с током, между токами и магнитами. С учетом этого были сконструированы приборы и аппараты, в частности приборы, измеряющие силу тока (ампер­ метры), электромагнитные реле, создающие механическое движение под действием электрического тока, и др.

Электромагнитные явления впервые были применены для пере­ дачи информации. В 30-е годы X I X века начала создаваться те­ леграфия. Идея телеграфной передачи очень проста. Всякое со­

по часто применяющемуся коду Морзе буква «а» изображается точкой и тире, буква «о» тремя знаками тире. Слово «Москва» по азбуке (коду) Морзе изображается так, как это показано на рис. 0.1. Код Морзе состоит из трех знаков: короткий знак — точка, длин­ ный знак, равный трем коротким, — тире и пробел. Пробел между

6

знаками равен по длине точке, между буквами трем точкам, а между словами — пяти точкам.

Эти знаки могут быть переданы с помощью импульсов тока различной формы (рис. 0.2). Для этого достаточно соединить места передачи и приема двухпроводной линией, по которой может

месте передачи помещаются батарея и ключ (рис. 0.3), а в месте приема — устройство, срабатывающее при прохождении тока, на­ пример стрелочный прибор или электромагнитное реле. При корот­ ком нажатии ключа в месте приема принимается короткий импульс

В качестве приемного устройства сначала применялся стрелочный прибор, а затем электромагнитное реле с приспособлением, запи­

замкнутого витка провода или при движении витка в магнитном

7

называется угловой (иногда круговой) частотой и измеряется в ра­

и т. д.) сначала применялся постоянный ток. Была поставлена за­ дача о передаче электрической энергии по проводам. Первые опыты были проведены в 1873 г., но лишь в 1882 г. Депре удалось построить линию передачи протяженностью в 57 км. Передача постоянным током оказалась бесперспективной, так как для передачи электри­ ческой энергии на большие расстояния надо значительно повышать напряжение. На постоянном токе это оказалось невозможным, и он уступил свое место переменному току.

Задача получения высоких напряжений была решена изобре­ тением трансформатора. Трансформатор со стальным сердечником дает возможность преобразовать сравнительно низкое напряжение, создаваемое генератором переменного тока, в высокое, а после передачи электрической энергии на большое расстояние другой трансформатор вновь преобразует высокое напряжение в низкое, которое удобно использовать в месте потребления электрической

*энергии.

В80-х года прошлого столетия теоретически все было подго­ товлено для передачи электрической энергии переменного тока,

* 1 кгц = 103 гц, 1 Мгц = 10е гц, 1 Ггц = 109 гц.

8

но практически это стало возможным после работ Доливо-Добро- вольского, предложившего применить трехфазный переменный ток (см. гл. V I I ) . Он не только предложил систему передачи, но и раз­ работал генераторы, моторы и трансформаторы трехфазного тока. В 1891 г. им была впервые построена и испытана линия передачи трехфазным током на 170 км при напряжении около 8 ООО в. Далее началось триумфальное развитие электротехники во всем мире.

Еще раньше, чем в энергетике, переменный ток был применен в телеграфии. Так как частота генерируемого переменного тока зависит от характера движения провода в магнитном поле, например от угловой скорости вращения витка провода, то легко получать токи различной частоты. Появилась возможность передачи по одной линии нескольких телеграфных сообщений. Каждое сообщение свя­ зывается с током определенной частоты. Буква «а» передается в виде сигнала, показанного на рис. 0.6, а.

а)

Бунда «а»

Рис. 0.6

Колебания каждой из передаваемых частот являются'каналом, по которому передается сообщение. Одновременная передача коле­ баний нескольких частот дает возможность осуществить много­ канальную передачу. На приемном конце телеграфной линии должны находиться специальные устройства, выделяющие колебания опре­ деленной частоты — электрические фильтры. Каждое сообщение через свой фильтр попадает в приемное устройство. Но телеграфные аппараты действуют под влиянием импульсов постоянного тока, поэтому в приемном устройстве происходит переход от переменного тока к постоянному. Для этого нужны выпрямители, пропускающие ток в одном направлении, и сглаживающие устройства, превра­ щающие импульсы переменного тока в импульсы постоянного тока. Изменение формы тока в приемном устройстве показано на рис. 0.6, б. Многоканальная частотная телеграфия была впервые применена в 1869 г.

Телефония. После телеграфии, т. е. передачи знаков, наступила

собой колебание определенной частоты и может передаваться пере­ менным током этой частоты. Идея телефона Белла такова. На стерж­ невой магнит А надеты катушки Б (рис. 0.7). Если около этого

9