全书简明介绍电子元件和电路的新内容,重点强调了分析、应用和技术实践。涉及大量应用实例和对电路的调试,内容主要包括基本元件、电量和直流电阻电路、交流动态电路三部分。注重理论联系实际,技术实践部分为读者提供很大帮助。注重理论联系实际,技术实践部分为读者提供很大帮助。本书是国际上电路畅销教材,广受赞誉,是一本理想的电子学教科书和相关领域人员的参考书。
无
自本书上一版出版以来,技术方面发生了许多变化。为了适应这些变化,本版包含了最新的测试仪器和计算机仿真方面的内容,例如介绍了使用Multisim和LTSpice进行仿真的一般方法,但电路基本定律和基本元器件仍然是本书的重点。本版的另一个重要变化是,介绍了使用图形计算器求解联立方程和复杂数学问题的步骤。图形计算器的功能强大、价格便宜,是学习基础电学课程的非常有用的工具。此外,以前版本的主要特色得到了保留和扩展,包括基本概念的实际应用、故障排查和仪器使用等。
本版对所有内容都进行了改善和更新,对每个例题都进行了重新复核。使用计算器计算时,中间过程的计算结果一直保留较高的精度,直到最后一步才四舍五入到小数点后三位,从而改善了以前版本的舍入误差。为了提高本书的可读性和清晰度,对全文进行了复审和必要的修改。我们一直致力于将最好的基础电学教材奉献给大家。
本版新增内容
新增许多利用TI84 Plus CE图形计算器进行逐步求解的例题,这些例题包括图形绘制、代数方程组求解以及复数运算等。
介绍许多新的电子仪器。通过拓展讨论和具体应用,帮助学生了解多种仪器的使用方法,例如任意函数发生器(AFG)、任意波形发生器(AWG)、示波器及其探头、高斯计、LCR表、热成像仪,以及电流脉冲发生器和特性曲线图示仪等。
介绍新型器件与设备的应用,例如磁阻随机存储器(MRAM)、磁流体(MHD)发电机,以及电力线载波通信(PLCC)中的陷波器等。
许多例题都提供Multisim和LTSpice两种仿真结果。
通过具体实例说明量纲分析的内容和方法。
针对表面贴装式电阻器、电阻器的额定功率、电池、热成像、铁氧体磁珠、接触器和电动机起动器等,都做了进一步讨论。
增加了一些例题、安全小贴士、技术小贴士、人物小贴士、自我检测、插图和修改后的习题。
拓展了术语表和著名人物介绍。
本版特色
每章开篇大多包括教学目标、应用案例预览和引言等。
大多数章的末尾都有应用案例内容。
插图丰富。
充实的安全小贴士、人物小贴士和技术小贴士。
例题丰富,每个例题都配有同步练习,部分配有Multisim和LTSpice仿真练习。
每节的学习效果检测的答案直接在每章的末尾给出。
多数章包含电路故障排查方面的内容。
每章末尾都有本章总结和重要公式内容。
每章末尾基本都有对/错判断、自我检测,以及电路行为变化趋势判断方面的题目,答案在每章的末尾给出。
每章都有按节安排的习题,较难的题目用星号加以标注,本书末尾还给出了奇数题的答案。
本书末尾的术语表涵盖书中出现的所有重要术语。
本书使用传统的电流方向,即将正电荷的运动方向规定为电流的真实方向。
学生资源
电路仿真(wwwpearsonhigheredcom/careersresources/)在线文件包括部分例题的Multisim 14和LTSpice IV仿真电路、故障排查电路,以及故障问题的文字描述等。具有前缀E的文件是例题中的电路,具有前缀P的文件是习题中的电路。所有电路均使用Multisim或LTSpice软件创建。所提供的这些仿真电路是课堂学习和实验室学习的优秀教学资源。
Multisim和LTSpice所显示的答案是电路仿真的实际结果,不像其他答案那样采用了四舍五入。
若要使用Multisim电路文件,必须在计算机上安装Multisim软件。Multisim仿真电路文件可以作为课堂学习、教材和实验研究的有益补充,但对于掌握本书的内容并非必不可少。
Experiments in Basic Circuits, Tenth Edition(ISBN 10为0134879988,ISBN 13为9780134879987,作者为David MBuchla)(wwwpearsonhigheredcom/careersresources/)。该实验手册中的实验练习题与本书内容配套,并在教师资源手册中提供相关习题答案。
教师资源关于本书教辅资源,只有使用本书作为教材的教师才可以申请,需要的教师请登录华章课堂http://www.hzcourse.com,搜索到本书→点击查看详情,如果本书右侧显示有教辅信息,可以通过华章课堂网站首页的教师注册进行注册填表申请(各项信息请按真实情况填写,信息经审核后下载密码将发送到邮箱)。——编辑注
教师资源包括教学PPT、各章习题的答案、应用案例部分的解决方案、测试项目文件、Multisim电路文件摘要,以及实验手册的习题答案等。
章节特色
章开篇每章开篇大多包含教学目标、应用案例预览、引言等。
详细的例题和同步练习每章中大量例题的详解有助于阐明基本概念和分析问题的步骤。每个例题结束后,都有对应的同步练习,学生通过求解与例题类似的问题可以加深对问题的理解。多数例题都有配套的Multisim电路仿真练习,相当一部分还配有LTSpice电路仿真练习。
学习效果检测每小节的结尾都有一组由问题或练习组成的学习效果检测,这些问题或练习重点强调了该节涉及的主要概念。学习效果检测的答案在该章的末尾给出。
应用案例每章(除第1章和第21章外)都介绍了该章涉及的电路内容的实际应用。在每个应用案例中,学生将该章涉及的概念应用于实际问题。应用案例涉及将电路板布局与电路原理图加以比较,分析实际电路,通过测量来确定具体电路的工作过程,有时还会开发简单的测试步骤。
故障排查根据所涉及内容,许多章设计了故障排查部分,重点培养学生的逻辑推理能力和系统化思维方法——APM法,即“分析、规划和测量”(Analysis, Planning and Measurement)的系统分析方法,尤其介绍了在故障排查时如何恰当运用半分割法来高效地寻找故障位置。
每章结尾部分(包含以下全部或部分)
本章总结
重要公式
对/错判断
自我检测
电路行为变化趋势判断
分节习题
学习效果检测答案、同步练习答案、对/错判断答案、自我检测答案,以及电路行为变化趋势判断答案
本书使用建议
根据课程重点灵活选择本书内容主要用于分两个学期开设的课程,其中第一学期完成与直流(DC)相关的章节(第1~10章),第二学期完成与交流(AC)相关的章节(第11~21章)。如果需要在一个学期完成直流和交流两个部分的教学,则需要对章节加以选择并缩减有关章节的内容。
如果课程受时间或内容的限制,通常情况下,有几部分可以作为选讲的内容,见下面的介绍。这并不意味着这些内容没有其他章节重要,只是针对某些专业,该部分内容不像其他基础部分内容那样需要重点掌握。由于课程重点、难易程度和可用时间各不相同,教师可根据课程的情况对所选内容进行省略或缩略处理。以下建议仅供参考。
1 可以选讲或略讲的章节有第8~10章、第18~21章。
2 应用案例和故障排查部分可以略去不讲,这不会影响学生对其他内容的学习。
3 其他章节的选择和缩略可以由教师自行决定。授课时各章节的顺序也可以由教师自行安排。例如,电容和电感(第12章和第13章)可以在第一学期的直流电路课程结束后讲授,但需要将这两章中与交流有关的小节(例如126节、127节、135节和136节)留到第二学期讲授。另一种处理方法是,将第12章和第13章都放到第二学期讲授,但在第12章之后提前讲授第15章,同样在第13章之后提前讲授第16章。
应用案例这些应用案例对于提高学生的兴趣、增强学生对基本概念的理解以及掌握元器件的具体应用非常有用。讲授这部分的建议如下:
把这部分作为章节的有机组成,以说明理论概念和元器件的实际具体应用。
可以作为额外加分的作业内容。
可以作为课堂教学活动的一部分以促进讨论和互动,有利于学生理解学习相关理论知识的目的和意义。
含电抗元件电路的教学选择第15~17章提供两种讲授含电抗元件的电路的方法。
第一种方法是按照电路的组成类型来讲授。也就是说,首先讲第15章的全部内容,然后讲第16章的全部内容,最后讲第17章的全部内容。
第二种方法是按照电路的连接类型来讲授。也就是说,首先讲与串联电路相关的所有章节,然后讲与并联电路相关的所有章节,最后讲与串并联电路相关的所有章节。为了方便教师使用第二种方法授课,这三章都被分为以下部分:“第一部分:串联电路”“第二部分:并联电路”“第三部分:串并联电路”“第四部分:特殊专题”。例如:针对串联电路,按顺序讲授每章的第一部分;针对并联电路,按顺序讲授第二部分;针对串并联电路,按顺序讲授第三部分;最后讲授第四部分(即特殊专题)。
致学生
任何职业训练都需要努力,电气/电子领域也不例外。学习新知识的最好方法是阅读、思考和实践。本书就是这样设计的,定能助你一臂之力。
仔细阅读本书的每一部分,并认真思考所读的内容。有时你可能需要多次阅读同一部分。按照解题步骤一步一步地认真完成每道例题,之后再尝试求解与例题相关的同步练习。学完每节之后,完成该节的学习效果检测。
利用每章的总结、重要公式对各章进行复习。完成对/错判断题、自我检测题和电路行为变化趋势判断题,相关答案在各章末尾给出。最后求解各章的分节习题,并与本书末尾提供的奇数题答案进行对照,检查是否正确。
一定要充分理解本书所涵盖的电学基本原理,其重要性怎么强调都不过分。大多数用人单位更愿意雇用那些既有基础知识又有实践能力,而且渴望掌握新概念和新技术的人。如果你在基础知识方面已经接受过良好的训练,用人单位就会根据分配给你的具体工作,对你进行更加专业的培训。
与电子学相关的职业规划
电工和电子领域具有复杂和多样化的特点,在很多领域都有就业机会。接受过电工和电子技术培训的人员,能够有资格从事的行业和工作类型有很多。下面简要介绍一些最常见的工作岗位。
维修车间技术员此类技术员对经销商返回的商用和家用电子设备进行维修和调试。具体领域包括家用电器和计算机等。因为有了维修这样的一技之长,所以该领域还提供了自谋业的机会。
工业制造技术员此类技术员从事装配线上的电工和电子产品测试,也可能从事用于产品测试和制造的电气、电子、机电系统的维护和故障排查。实际上,对于各种类型的制造厂,无论生产何种产品都会用到电气自动化设备。
实验室技术员这些技术员在研究和开发实验室工作,工作内容包括设计产品初期的面包板、原型电路板,测试新的或改进的电子系统。他们通常在产品研发阶段与工程师密切合作。
现场服务技术员现场服务技术员到客户所在地检修和维护电子设备,例如计算机系统、雷达装置、银行自动化设备和安保系统等。
工程师助理此类人员与工程师密切合作,负责设计思想的具体实施,以及电工和电子系统的基本设计和开发。工程师助理往往参与从项目的最初设计到早期生产阶段的各个流程。
科技写作员科技写作员编辑和整理技术信息,并利用这些信息编写和制作操作手册和视听资料。他们广泛了解特定系统,可清楚地解释其工作原理,熟练掌握操作过程,这些能力对于从事科技写作方面的工作是至关重要的。
技术销售员对于高科技产品,非常需要经过技术培训的人员从事销售工作。能够理解技术概念并将产品的技术层面信息传达给潜在客户是非常关键的。在这方面,与科技写作一样,口头和书面表达能力至关重要。也就是说,他们能够在任何类型的技术工作中进行良好的沟通,因为他们能够清楚地记录数据、解释流程、得出结论和采取行动,以便让其他人轻松地了解他们在做什么。
电子技术发展历程
让我们简要介绍一下电子技术发展至今的一些重要事件。许多早期的电学和电磁学先驱的名字就是我们熟悉的物理量单位,例如欧姆、安培、伏特、法拉、亨利、库仑、特斯拉、高斯和赫兹等。富兰克林和爱迪生等则因为他们在电学发展历史中所做出的卓越贡献而更加广为人知。在本书多个章节的人物小贴士部分,我们会简要介绍一些先驱的主要生平事迹。
电子学的起源早期的电子学实验涉及真空管中的电流,海因里希·盖斯勒(Heinrich Geissler,1814—1879)在实验中发现,如果抽出玻璃管中的大部分空气,让电流通过该玻璃管,玻璃管就会发光。后来,威廉·克鲁克斯(William Crookes,1832—1919)发现真空管中的电流似乎是由粒子组成的。托马斯·爱迪生(Thomas Edison,1847—1931)用带电极的碳丝灯泡做实验,发现有电流从灼热的灯丝流到正极。他为此申请了专利,但是从未使用过。
其他早期实验人员则致力于测量真空管中粒子流的属性。其中,约瑟夫·汤普森(Joseph Thompson,1856—1940)测出了这些粒子的性质,该粒子后来被称为电子。
虽然无线电报通信的历史可以追溯到1844年,但电子学起源于真空管放大器的发明,可以说是20世纪的概念。早期的真空管只允许电流朝一个方向流动,这种真空管是由约翰·A弗莱明(John A Fleming)于1904年创造出来的,叫作弗莱明阀(Fleming valve),是真空二极管的前身。1907年,李·德弗雷斯特(Lee deForest)在真空管中增加了一个栅极,这种新器件叫作音频管(audiotron),能够放大微弱的信号。通过在真空管中增加控制元件,德弗雷斯特开创了电子学的先河。这个新型器件经改进后,使横贯美国大陆的电话业务和无线电通信成为可能。并且在1912年,美国加利福尼亚州圣何塞市的一名无线电广播业余爱好者开始定期播放音乐!
1921年,美国商务部长赫伯特·胡佛(Herbert Hoover)向广播电台签发了第一张许可证。在接下来的两年内又签发了600多张许可证。到20世纪20年代末,无线电广播在许多家庭中得到普及。埃德温·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)还发明了一种新型无线电收音机(即超外差收音机),它解决了高频通信的问题。1923年,美国研究员弗拉基米尔·兹沃里金(Vladimir Zworykin)发明了第一台电视机的显像管。1927年,费罗·T法恩斯沃斯(Philo TFarnsworth)为他的一整套电视系统申请了专利。
20世纪30年代,无线电领域经历了许多发展,包括金属壳二极管、自动增益控制和定向天线等。在这10年中,第一台电子计算机的开发也拉开了序幕。现代计算机的起源可以追溯到艾奥瓦州立大学的约翰·安塔纳索夫(John Atanasoff)所做的工作。1937年年初,他构想了一种能够完成复杂数学运算的二进制机器。到1939年,他和研究生克利福德·贝瑞(Clifford Berry)一起组装了一台计算机,起名为ABC(Atanasoff Berry Computer),它利用真空管实现逻辑运算,用电容器作为存储器。1939年,亨利·布特(Henry Boot)和约翰·兰德尔(John Randall)在英国发明了磁控管,这是一种微波振荡器。同年,拉塞尔(Russell)和西格德·瓦里安(Sigurd Varian)在美国发明了调速微波管。
在第二次世界大战期间,电子学得到了快速发展。磁控管和速调微波管使雷达和甚高频通信成为可能。阴极射线管经过进一步改进应用于雷达中。计算机的研究工作在战争期间仍在继续。1946年,约翰·冯·诺依曼(John von Neumann)在宾夕法尼亚大学发明了第一台存储程序的计算机,即Eniac。晶体管的发明是这10年也是迄今为止最重大的发明之一。
固态电子学早期收音机中使用的晶体检波器是现代固态设备的前身。然而,固态电子时代始于1947年贝尔实验室发明的晶体管。晶体管的发明者是沃尔特·布兰坦(Walter Brattain)、约翰·巴丁(John Bardeen)和威廉·肖克利(William Shockley)。1947年推出了印制电路(Printed Circuit,PC)板,同年,晶体管被发明了出来。但直到1951年,晶体管才在美国宾夕法尼亚州阿伦敦市投入大规模商业化生产。
20世纪50年代最重要的发明是集成电路。1958年9月12日,德州仪器公司的杰克·科尔比(Jack Kilby)发明了第一个集成电路。集成电路的发明真正开启了现代计算机时代,使通信业、制造业、医药业和娱乐业发生了翻天覆地的改变。自那以后,已生产了数十亿块“芯片”(集成电路也被称为芯片)。
20世纪60年代,空间竞赛的开始促进了小型化和计算机的发展。空间竞赛是引起电子学发生重大改变的主要驱动力。1965年,仙童半导体(Fairchild Semiconductor)公司的鲍勃·维德拉(Bob Widlar)研制成功第一个“运算放大器”。这个运算放大器叫作A709,尽管它很成功,但是存在闩锁效应以及一些其他问题。之后,仙童半导体公司又推出了曾经风靡一时的运算放大器A741。该运算放大器成为行业标准,并且多年来一直影响着运算放大器的设计。
1971年,来自仙童半导体公司的一组人员创立了一个新公司并推出了第一个微处理器。这个新公司就是Intel公司,而这个新产品就是4004芯片,它与Eniac计算机具有相同的处理能力。同年晚些时候,Intel公司宣布了第一个8位处理器的诞生,即8008。1975年,Atair公司推出了第一台个人计算机,Popular Science杂志在1975年1月版的封面上刊登了它,并进行了专题报道。20世纪70年代,出现了袖珍计算器,光集成电路(Optical Integrated Circuit)领域也有了新的发展。一台HP65可编程手持计算器于1975年被送入太空,作为阿波罗联盟号对接过程中航向修正的备用计算工具。
到了20世纪80年代,一半以上的美国家庭都在使用有线电视网,而不再使用电视天线。在整个20世纪80年代,电子学在可靠性、速度和小型化等方面不断改进,包括PC板的自动测试和校准。计算机成为仪器的一部分,同时出现了虚拟仪器技术。计算机已经成为工作台上的标准工具。
到了20世纪90年代,互联网得到了广泛应用。在1993年有130个网站,而现在有近20亿个网站。各家公司争先恐后地建设主页,互联网的发展与无线电广播的早期发展极为相似。在1995年,美国联邦通信委员会(FCC)为一种叫作数字音频无线电业务(Digital Audio Radio Service)的新业务分配了频谱空间。1996年,FCC采纳了数字电视标准,将其作为美国的下一代广播电视标准。柯达于1991年推出了第一款具有130万像素传感器的数码相机。
21世纪是在2001年1月开始的(尽管许多人在一年前庆祝它)。21世纪前10年的主要技术大事之一是互联网的爆炸性增长。无线宽带的接入极大地推动了这一增长势头,路由器和无线连接的新发展和标准也有目共睹。计算机的处理速度继续提高。另一个技术进步是数字存储设备,包括改进的光盘存储技术,例如用于高清视频存储的蓝光技术。2007年,苹果计算机公司的史蒂夫·乔布斯(Steve Jobs)宣布推出苹果手机iPhone,这也成为21世纪前10年最重要的技术进步之一。除了常见的手机通信功能,第一代iPhone还具有互联网接入、音乐播放和200万像素摄像等其他功能。自iPhone推出以来,智能手机逐渐为人所知,目前几乎无处不在。
21世纪的第二个10年,科技持续发展和创新。电子学的新发展包括印制电子学、聚合物电子学和有机电子学,这些技术可以用于产生和制造有源和无源元器件。可印制电子产品,包括电子和光学元器件,这些元器件的出现使生产生物医学腕带和曲面OLED电视等产品成为可能。此外,对可再生能源的持续追求,大大促进了对蓄电池、太阳能电池、燃料电池、风能和其他技术领域的深入研究和开发利用。
致谢
很多人参与了本书的修订工作,对其内容和准确性进行了彻底的审阅和检查。Gary Snyder在准确性检查方面做得非常出色,并针对本书的措辞提出了许多建议。他的准确性检查包括对每个例题进行演算,并在通读本书的过程中,提出了很多建设性意见。他还完成了本版Multisim和LTSpice仿真电路文件的创建。还要感谢Tom Floyd对本次修订所提出的建议。Tom非常渴望这本书能够成为电子学方面顶尖的基础教材。遗憾的是,他没能亲眼看到本书的出版。
非常感谢来自Pearson的Andrew Gilfillan、Faraz Sharique Ali和Deepali Malhotra,以及来自Integra的Philip Alexander的贡献。还要感谢本版的审稿人:来自新墨西哥州立大学的Paul Furth,来自沃恩航空技术学院的Rex Wong,来自塔尔萨社区学院的Thomas Henderson,以及来自孟菲斯大学的Jerry Newman。
感谢本书之前版本审稿人的贡献。他们是:来自开普菲尔社区学院的Eldon EBrown,来自新河社区学院的Montie Fleshman,来自南内华达州社区学院的James Jennings,来自俄克拉荷马大学的Ronald JLaSpisa,来自玛丽恩技术学院的EEd Margaff,来自哈钦森社区学院的David Misner,来自迈阿密戴德社区学院的Gerald Schickman。
David M. Buchla
电路基础
本书是介绍电子元器件和电路原理及其应用的入门教材。内容覆盖量纲、单位与记数法,电源、电容、电感、变压器等元器件,直流电路中的串联、并联和串-并联形式及相关分析法,RC、RL及RLC交流电路及其分析过程,积分器、微分器的时间响应,以及三相电路等。本书提供大量的应用案例,故障排查与计算机仿真贯穿始终,步骤详细的例题、形式多样的练习便于学生自学,众多技术和安全小贴士等加强了理论与实践的联系,并帮助学生实现学以致用。
本版新增内容
新增许多利用TI-84 Plus CE图形计算器进行逐步求解的例题,这些例题包括图形绘制、代数方程组求解以及复数运算等。
介绍许多新的电子仪器。通过拓展讨论和具体应用,帮助学生了解任意函数发生器、任意波形发生器、示波器及其探头、高斯计、LCR表、热成像仪,以及电流脉冲发生器和特性曲线图示仪等的使用方法。
介绍新型器件的应用,例如磁阻随机存储器、磁流体发电机,以及电力线载波通信中的陷波器等。
许多例题都提供Multisim和LTSpice两种仿真结果。
通过具体实例说明量纲分析的内容和方法。
进一步讨论表面贴装式电阻器及其额定功率、电池、热成像、铁氧体磁珠、接触器和电动机起动器等。
增加了一些例题、安全小贴士、技术小贴士、人物小贴士、自我检测等,极大地丰富了内容。
作者简介
托马斯·L. 弗洛伊德(Thomas L. Floyd) 1964年获得美国佛罗里达大学电气工程学士学位,同年在德州仪器公司开始职业生涯,1968年获得南卫理公会大学电气工程硕士学位,之后在马丁·玛丽埃塔公司任职高级工程师,从事导弹制导系统和数字通信系统的研发。自1975年起,他开始专职写作。其中DC/AC Fundamentals: A Systems Approach、Digital Fundamentals: A Systems Approach和Analog Fundamentals: A Systems Approach是畅销全球的电子技术类教材。
[美]托马斯·L.弗洛伊德(Thomas L. Floyd);[美] 大卫·M.布奇拉(David M. Buchla) 著:托马斯·L. 弗洛伊德(Thomas L. Floyd),1964年获得美国佛罗里达大学电气工程学士学位,同年在德州仪器公司开始职业生涯,1968年获得南卫理公会大学电气工程硕士学位,之后在马丁·玛丽埃塔公司任职高级工程师,从事导弹制导系统和数字通信系统的研发。自1975年,他开始专职写作。其中DC/AC Fundamentals: A Systems Approach、Digital Fundamentals: A Systems Approach和Analog Fundamentals: A Systems Approach更是畅销全球的电子技术类教材。
本书是一部介绍电路原理与应用的入门教材,其内容、写作方法、结构等,对我国时下普通高等院校的教学有较高的参考价值。书中除了介绍电路原理的基本内容外,还通过大量篇幅联系工程实际,恰逢其时地介绍安全、经济、职业规划等相关内容,这些都符合当前人才培养的工程教育理念。我们在翻译过程中,始终能感受到作者的独具匠心之处,现将这些感受梳理如下,希望帮助读者快速了解本书的特色。
1丰富的前言
本书在较长的前言中,除了按惯例介绍新增内容、本版特色外,还着重介绍与之配合使用的学生资源和教师资源等内容;说明了章节安排;给出了教学内容的取舍建议;指出了学生应如何阅读、如何完成各种检测与习题等;郑重地强调了学好基础理论的重要性,因为有了坚实的理论基础,用人单位才能对读者进行专门培训;温馨地介绍了与电子技术相关的职业规划,如维修车间技术员、工业制造技术员、实验室技术员、现场服务技术员、科技写作员、销售技术员等。
在介绍电子技术发展历程中,展现了电子技术日新月异的变化。电子管、晶体管、印制电路、集成电路、个人计算机、手持计算器、智能手机、互联网等,让读者感觉电子技术就在身边,从而使读者认识到电路及相关课程的重要性和实用性。
2注重量纲、单位和记数法
本书开篇介绍国际单位制、科学记数法、工程记数法概念,以及公制词头之间的转换,为科学表达奠定必要基础。本书非常重视物理量单位的用法。无论是在计算结果中,还是在计算过程中,都会恰当地使用物理量单位。这也是工程技术人员必须具备的意识和能力,因为量值和单位共同表达了物理量的大小。较大的数要用较大的单位,较小的数要用较小的单位。下面是出现在本书中的表达式示例:
I=VR=50 kV100 MΩ=50×103 V100×106 Ω=05×10-3 A=05 mA
Pr=I2XL=(447 mA)2×2 kΩ=400 mvar
XC=12πfC=12π×10 kHz×001 F=159 kΩ
本书还明确指出,用量纲平衡原则可以判断方程的正确性。与众不同地介绍了四舍五入中的“配偶规则”,在保留有效数字的过程中,并不能一概地四舍五入。
3偏低的物理起点和数学起点
本书面向零起点的读者,有高中知识即可学习。在物理方面,本书从原子模型(原子核、电子层、电子轨道、电子能级)讲到正电荷与负电荷的由来、自由电子与束缚电子的区别等;尤其详细地介绍了铜原子结构的特殊性,它决定了铜导电的优越性。这些内容在我国的课程体系中,一般都是在物理、化学课程中介绍,并且会在高中阶段完成。此外,本书对电源、电容、电感、互感、变压器等电路元器件,花了很多篇幅介绍它们的实际物理构造,而不是简单地人为定义或用元件符号抽象表示;对于串联分压、并联分流、磁、磁滞、电磁感应、右手螺旋法则等,都一一地从最基本的起点讲起,因此没有上过大学的学生也可以顺利学习本书。与众不同之处还有,本书按照电荷、电压、电流的顺序讲授电路变量,原理是原子失去或者获得电子之后便有了电性(即净电荷),电荷之间存在作用力,因此移动电荷需要做功,由此引入电压的概念。电荷在电压的作用下定向流动,又引出电流的概念。
本书在数学方面的起点也偏低,详细介绍了指数及其运算,三角函数中角度的计量,指数函数的运算,复数的运算,求解代数方程的代入法、消元法、行列式法等。本书不涉及微分方程的求解。
这些偏低的起点,一方面是为了符合读者定位,另一方面也是为了方便读者自学,并对知识求根溯源。
4各类温馨小贴士
本书中还有许多小贴士。在人物小贴士中,介绍了库仑、法拉第、欧姆、伏特、安培、特斯拉、瓦特、焦耳、基尔霍夫、戴维南、麦克斯韦、赫兹、爱迪生等科学家和发明家。一方面介绍了与他们相关的历史事件;另一方面也表现出对科学家们的敬重。在安全小贴士中,介绍了如何安全更换熔断器,强调不要带戒指操作电路,刚断电时不要触碰电阻等。在技术小贴士中,指出不要同时使用新旧电池,不要使用不同型号的电池;说明如何拆卸和安装汽车上的电池;强调测量电阻时,手指不要碰到电阻引线以免影响测量值;讨论示波器上交流耦合与直流耦合的区别,以便正确选择……这些随手写来的小贴士,读起来格外温馨。
5细腻阐述主要内容
在直流电路部分,串联电路、并联电路、串并联电路各占一章。作者对这些电路结构的阐述十分细腻,包括如何在面包板和电路图上识别这些电路连接。在交流电路部分,RC电路、RL电路、RLC电路各占一章,每章又划分为串联、并联,以及串并联连接。分别在直流电路和交流电路两部分阐述电路定理,体现两种电路下电路定理的联系和区别。分别针对单个脉冲输入和重复脉冲输入,阐述积分电路和微分电路的响应。在每种输入下,又分时间常数较小和时间常数较大两种情况,以便简化计算。针对欧姆定律,分三节介绍了电压、电流与电阻的计算。针对瓦特定律(本书将P=VI称为瓦特定律)也是如此。详细阐述了能量的单位千瓦·时(kW·h),以及表明电池容量的单位安·时(A·h)。在应用叠加定理时,对分析步骤分解得十分详细,针对每步都绘制出等效电路,哪怕电路之间只有小小的区别。
6带有培训内容的应用案例
丰富多样的应用案例是本书的突出特色,几乎每章都包含与本章内容相关的应用案例。比如认识面包板,小型风扇的转速控制,设计调光电路,制作电容箱与电阻箱,使用电阻分压来提供5种电压,惠斯通电桥用于温度控制,超外差收音机原理,滤波器的降滚特性,等等。在这些应用案例中,不单单是介绍一种具体应用,更重要的是留给读者许多启发与思考,让读者通过参与来完成未尽事项。例如,设计一个电阻箱时,如何考虑整个电阻箱的成本,如何检查所完成的设计是否合理,等等。
7贯穿全书的故障排查
贯穿全书的故障排查是本书的又一突出特色。作者通过排查故障的过程强调理论基础的重要性,并努力提高读者的好奇心和参与意识。在排查故障时,多次用到“分析、规划和测量”的方法(简称APM法),以及判断某些电路故障的“半分割法”,在实际工作中,这些都是很实用的方法。所排查的故障包括串联电路、并联电路、串并联电路、直流电路、交流电路中的元器件开路故障和短路故障等,例如电阻虚焊、焊料飞溅、电阻烧断、电容漏电、电容开路、电容短路、电感开路等。
8贯穿全书的安全意识
用电安全问题始终体现在作者的笔墨间。除了通过安全小贴士给出温馨提示外,还用专门章节以及应用案例等及时加以介绍。例如,28节详细介绍了触电的原因,分析了电流通过人体的几种路径,介绍了电流对人体的影响,列出20余条用电安全注意事项。
9形式多样的练习题
为了使读者保持新鲜感,实现对基本内容的反复练习,本书编写了风格各异的练习题。这些练习包括:与例题相伴随的同步练习,仿照例题就可以完成的任务;每节末的学习效果检测;具有选择题性质的自我检测;对/错判断;按节安排的分节习题等。最有特色的是电路行为变化趋势判断,它利用已经出现的电路图,让某个条件发生变化,然后判断某个结果是增大、减小还是保持不变,就像做游戏一样来展开。这比单纯的数值计算更能加深读者对电路概念的理解。
10耳目一新的结构
本书的章节由多个部分组成。各章大多以教学目标、应用案例预览和引言开始,以本章总结、重要公式、多种练习、参考答案结束。另外,书中的大多数例题都伴随着同步练习。这样的结构使人耳目一新。
11学以致用的工程观点
本书除了在应用案例中加强理论与实践的联系外,在正文中,也不失时机地联系工程实际。例如:电阻的色环编码、参数标签;实际电阻的类型,电阻的标称值;导线规格,电阻和额定电流的关系;电磁阀、扬声器和表头等多种电磁设备;直流发电机、交流发电机的工作原理;汽车照明系统,住宅电气系统……这些联系工程实际的内容,使理论内容达到了学以致用的效果。
12其他方面
本书用带有方向的复平面矢量表示复阻抗和交流电路功率,这一点与我国教材的书写习惯不同;本书中相位角的概念非常广,可以是相对参考相量的相位,也可以是相对另一相量的相位(我国称为相位差),也可以是阻抗角等,阅读时要根据上下文来理解;本书没有过多地强调基尔霍夫定律的应用,因为所涉及的电路都是简单电路;本书经常使用第二人称来叙述,可使读者产生亲切感,像是作者与读者直接交谈;计算机仿真内容贯穿始终,以培养学生使用计算工具的能力;许多图片都给出了具体来源,说明得到了作品持有者的许可,体现了对版权的尊重。
参加本书翻译的人员有:齐琛(第1~4章)、刘惠(第5~7章)、李冠林(第8章)、牟宪民(第9、10、21章)、王宁(第11~14章)、章艳(第15~18章)、陈希有(第19、20章)、刘蕴红(前言、附录)。全书由陈希有统稿。尽管大部分译者都从事电路课程教学,并有双语教学能力和国外进修经历,但面对内容如此广泛的教材,翻译欠准之处仍恐难免,敬请读者雅正,这也是对本书的最佳爱护。意见请直接发送至译者邮箱:chenxy@duteducn。
感谢机械工业出版社引进这部优秀教材,并将翻译工作交给本书的译者们。
译者
于大连理工大学
2020年2月
译者序
前言
第1章测量单位与记数法
11测量单位
12科学记数法
13工程记数法和公制词头
14公制词头之间的转换
15准确性与数字取舍
第2章电压、电流和电阻
21原子结构
22电荷
23电压
24电流
25电阻
26电路
27基本电路的测量
28电气安全
应用案例
第3章欧姆定律
31电压、电流和电阻的关系
32电流的计算
33电压的计算
34电阻的计算
35故障排查
应用案例
第4章能量与功率
41概述
42电路中的功率
43电阻的额定功率
44能量转换与电阻的电压降
45稳压电源与电池
应用案例
第5章串联电路
51电阻的串联
52串联电路的总电阻
53串联电路的电流
54欧姆定律的应用
55电压源的串联
56基尔霍夫电压定律
57分压器
58串联电路的功率
59电压的测量
510故障排查
应用案例
第6章并联电路
61并联电阻
62并联电路的电压
63基尔霍夫电流定律
64并联电路的总电阻
65欧姆定律的应用
66电流源的并联
67分流器
68并联电路的功率
69并联电路的应用
610故障排查
应用案例
第7章串并联电路
71识别串并联关系
72串并联电路分析
73有载分压器
74电压表的负载效应
75梯形网络
76惠斯通电桥
77故障排查
应用案例
第8章电路定理及等效变换
81直流电压源
82电流源
83电源等效变换
84叠加原理
85戴维南定理
86诺顿定理
87最大功率传输定理
88三角形(△)与星形()的等效变换
应用案例
第9章支路法、回路法、节点法
91电路分析中的联立方程组
92支路电流法
93回路电流法
94节点电压法
应用案例
第10章磁和电磁
101磁场
102电磁
103电磁设备
104磁滞
105电磁感应
106直流发电机
107直流电动机
应用案例
第11章交流电流和电压概述
111正弦波形
112正弦电压和电流
113正弦波相位角的度量
114正弦波表达式
115相量概述
116正弦电阻电路的分析
117交流发电机
118交流电动机
119非正弦波
1110示波器
应用案例
第12章电容
121基本电容器
122电容器的类型
123电容串联
124电容并联
125直流电路中的电容
126正弦交流电路中的电容
127电容的应用
128开关电容电路
应用案例
第13章电感
131基本电感
132电感的类型
133电感的串联与并联
134直流电路中的电感
135正弦交流电路中的电感
136电感的应用
应用案例
第14章变压器
141互感
142基本变压器
143升压变压器和降压变压器
144二次侧负载
145反射电阻
146阻抗匹配
147变压器额定值和特性参数
148带抽头变压器和多绕组变压器
149故障排查
应用案例
第15章RC正弦交流电路
151复数
第一部分:RC串联电路
152RC串联电路的正弦响应
153RC串联电路的阻抗
154RC串联电路的分析
第二部分RC并联电路
155RC并联电路的阻抗与导纳
156RC并联电路的分析
第三部分:RC串并联电路
157RC串并联电路的分析
第四部分: 特殊专题
158RC电路的功率
159RC电路的基本应用
1510故障排查
应用案例
第16章RL正弦交流电路
第一部分:RL串联电路
161RL串联电路的正弦响应
162RL串联电路的阻抗
163RL串联电路的分析
第二部分:RL并联电路
164RL并联电路的阻抗与导纳
165RL并联电路的分析
第三部分:RL串并联电路
166RL串并联电路的分析
第四部分:特殊专题
167RL电路的功率
168RL电路的基本应用
169故障排查
应用案例
第17章RLC正弦交流电路及谐振
第一部分:RLC串联电路
171RLC串联电路的阻抗
172RLC串联电路的分析
173RLC串联电路的谐振
第二部分:RLC并联电路
174RLC并联电路的阻抗
175RLC并联电路的分析
176RLC并联电路的谐振
第三部分: RLC串并联电路
177RLC串并联电路的分析
第四部分: 特殊专题
178谐振电路的带宽
179谐振电路的应用
应用案例
第18章无源滤波器
181低通滤波器
182高通滤波器
183带通滤波器
184带阻滤波器
应用案例
第19章交流电路分析中的电路定理
191叠加定理
192戴维南定理
193诺顿定理
194最大功率传输定理
应用案例
第20章积分器与微分器对脉冲输入的响应
201RC积分器
202RC积分器对单个脉冲输入的响应
203RC积分器对重复脉冲输入的响应
204RC微分器对单个脉冲输入的响应
205RC微分器对重复脉冲输入的响应
206RL积分器对脉冲输入的响应
207RL微分器对脉冲输入的响应
208时间响应与频率响应的关系
209故障排查
应用案例
第21章电力应用中的三相系统
211电力应用中的发电机
212三相发电机的联结类型
213三相电源与负载的连接
214三相功率
附录A标准电阻值表
附录B公式推导
附录C电容的颜色标识和代码标识
附录DNI Multisim 电路仿真
奇数号习题答案
术语表