engineering

Учебник Электротехника и электроника для начинающих

30 уроков · 8 разделов · бесплатно, без регистрации

Начать с первого урока

Это полный курс по электротехнике и электронике — от заряда и закона Ома до комплексного импеданса, резонанса, полупроводниковых приборов и цифровой логики. Каждый урок соединяет физическую формулу с её численной проверкой: рядом с уравнением стоит самодостаточный код на Python (только стандартная библиотека math/cmath), который считает токи, напряжения, мощности и печатает результат в системе СИ. Курс подойдёт студентам технических специальностей, школьникам, готовящимся к олимпиадам по физике, и инженерам-программистам, которым нужна крепкая интуиция о цепях. Вы научитесь анализировать цепи постоянного и переменного тока, моделировать переходные процессы, рассчитывать фильтры и резонанс, понимать работу диодов, транзисторов и операционных усилителей.

Курс «Электротехника и электроника» состоит из 8 разделов и 30 уроков: Основы: заряд, ток, напряжение, мощность, Цепи постоянного тока, Энергия, мощность и КПД, Конденсаторы, катушки и переходные процессы, Переменный ток, Комплексный метод и резонанс, Полупроводники и приборы и Цифровая электроника, измерения и безопасность. Уроки идут по порядку — от основ к более сложным темам, в каждом есть объяснение с примерами, а в конце — вопросы для самопроверки. К урокам привязаны задачи с автоматической проверкой: прочитали тему — сразу закрепили её кодом.

Программа курса

  1. 1 Основы: заряд, ток, напряжение, мощность

    1. Заряд и электрический ток

      Что такое электрический заряд и сила тока, связь I = q/t, направление тока и носители заряда — с расчётом в Python.

    2. Напряжение, потенциал и ЭДС

      Электрический потенциал, напряжение U = A/q, ЭДС источника и разница между ними — с численным примером работы поля.

    3. Закон Ома и сопротивление

      Закон Ома U = IR, сопротивление проводника R = ρL/S, удельное сопротивление и расчёт цепи в Python.

    4. Мощность и работа тока

      Мощность электрического тока P = UI = I²R = U²/R, работа A = Pt и расчёт энергопотребления в Python.

  2. 2 Цепи постоянного тока

    1. Последовательное и параллельное соединение

      Эквивалентное сопротивление при последовательном и параллельном соединении резисторов — формулы и расчёт в Python.

    2. Делители напряжения и тока

      Делитель напряжения U2 = U·R2/(R1+R2) и делитель тока — расчёт и практическое применение в Python.

    3. Законы Кирхгофа

      Первый закон Кирхгофа (узлы) и второй (контуры), правила знаков и применение к разветвлённой цепи.

    4. Расчёт цепи системой уравнений

      Решаем разветвлённую цепь по законам Кирхгофа: метод контурных токов и решение системы 2x2 в Python.

  3. 3 Энергия, мощность и КПД

    1. Внутреннее сопротивление и КПД источника

      Внутреннее сопротивление источника, закон Ома для полной цепи и КПД источника с расчётом в Python.

    2. Баланс мощностей и нагрев

      Баланс мощностей в цепи, закон Джоуля-Ленца, нагрев проводника и проверка сохранения энергии в Python.

    3. Передача максимальной мощности в нагрузку

      Теорема о согласовании нагрузки: максимум мощности при R = r. Численный поиск оптимума в Python.

  4. 4 Конденсаторы, катушки и переходные процессы

    1. Конденсатор и ёмкость

      Что такое конденсатор, ёмкость C = q/U, энергия CU²/2 и расчёт заряда и энергии в Python.

    2. Катушка индуктивности

      Индуктивность, ЭДС самоиндукции, энергия магнитного поля LI²/2 и расчёт в Python.

    3. Переходные процессы в RC-цепи

      Зарядка и разрядка конденсатора, постоянная времени τ = RC, экспонента и численная симуляция в Python.

    4. Переходные процессы в RL-цепи

      Нарастание и спад тока в RL-цепи, постоянная времени τ = L/R и симуляция методом Эйлера в Python.

  5. 5 Переменный ток

    1. Синусоидальный ток и его параметры

      Синусоида тока и напряжения, амплитуда, частота, угловая частота ω = 2πf, фаза — с расчётом в Python.

    2. Действующее значение тока и напряжения

      Действующее (RMS) значение синусоиды Urms = Um/√2, его смысл и численная проверка усреднением в Python.

    3. Реактивное сопротивление катушки и конденсатора

      Индуктивное XL = ωL и ёмкостное XC = 1/(ωC) сопротивления, их зависимость от частоты и расчёт в Python.

  6. 6 Комплексный метод и резонанс

    1. Комплексный импеданс

      Импеданс Z как комплексное число, модуль и фаза, расчёт RLC-цепи на cmath в Python.

    2. Последовательный RLC-контур

      Расчёт последовательного RLC-контура: ток, напряжения на элементах и фаза через cmath в Python.

    3. Резонанс и добротность

      Резонансная частота ω0 = 1/√(LC), добротность Q, полоса пропускания и расчёт в Python.

    4. Численная АЧХ фильтра

      Амплитудно-частотная характеристика RC-фильтра нижних частот, частота среза и построение АЧХ в Python.

  7. 7 Полупроводники и приборы

    1. Диод и его вольт-амперная характеристика

      Полупроводниковый диод, p-n переход, уравнение Шокли и вольт-амперная характеристика — расчёт в Python.

    2. Выпрямитель переменного тока

      Однополупериодный и мостовой выпрямитель, среднее значение выпрямленного напряжения и расчёт в Python.

    3. Транзистор как ключ и усилитель

      Биполярный транзистор, коэффициент усиления β, режим ключа и усилителя, расчёт токов в Python.

    4. Операционный усилитель

      Идеальный ОУ, правила виртуального короткого замыкания, инвертирующий и неинвертирующий усилитель — расчёт в Python.

  8. 8 Цифровая электроника, измерения и безопасность

    1. Логические уровни и вентили

      Логические уровни 0 и 1, вентили AND, OR, NOT, NAND, таблицы истинности — с моделированием в Python.

    2. Комбинационные схемы: полусумматор

      Полусумматор и полный сумматор на логических вентилях, сложение двоичных чисел — модель в Python.

    3. Измерения: амперметр и вольтметр

      Как включают амперметр и вольтметр, шунты и добавочные сопротивления, расширение пределов — расчёт в Python.

    4. Электробезопасность

      Действие тока на человека, опасные значения, сопротивление тела, заземление и защита — расчёт в Python.