Giorgio Rizzoni: Nguyên lý và Ứng dụng Kỹ thuật Điện - Bản thứ 4

• Tác giả: Giorgio Rizzoni
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nguyên tắc và Ứng dụng Kỹ thuật điện
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2003

Tóm tắt

I. Giới thiệu sách Principles and Applications of Electrical Engineering Rizzoni

Cuốn sách Principles and Applications of Electrical Engineering của Giorgio Rizzoni do McGraw-Hill Higher Education xuất bản năm 2003 là giáo trình kỹ thuật điện hàng đầu. Tác phẩm hướng đến đối tượng sinh viên không chuyên ngành điện tử. Phạm vi từ sinh viên năm hai đến nghiên cứu sinh năm nhất. Cuốn sách trình bày nguyên lý kỹ thuật điện, điện tử và cơ điện tử. Nội dung nhấn mạnh ứng dụng thực tế và công cụ phân tích. Rizzoni tập trung vào kết quả quan trọng thay vì lý thuyết trừu tượng. Cuốn sách cung cấp ví dụ cụ thể từ kinh nghiệm nghiên cứu công nghiệp. Tài liệu tham khảo trực tuyến được tích hợp trong nội dung. Đĩa CD-ROM đi kèm chứa nhiều tài liệu bổ sung. Phương pháp tiếp cận thực tiễn giúp sinh viên áp dụng kiến thức vào giải quyết vấn đề kỹ thuật thực tế.

1.1. Mục tiêu và đối tượng đọc giả của cuốn sách

Cuốn sách có ba mục tiêu chính rõ ràng. Thứ nhất, trình bày nguyên lý kỹ thuật điện cho sinh viên không chuyên ngành điện. Thứ hai, tập trung vào kết quả và ứng dụng quan trọng. Thứ ba, minh họa bằng ví dụ cụ thể từ nghiên cứu công nghiệp. Đối tượng đọc giả rộng rãi. Bao gồm sinh viên năm hai đến nghiên cứu sinh. Các ngành cơ khí, công nghiệp, hóa học, hạt nhân, hàng không đều có thể sử dụng. Cuốn sách giúp kỹ sư giao tiếp hiệu quả trong nhóm liên ngành.

1.2. Cấu trúc nội dung ba phần chính của sách

Cuốn sách được chia thành ba phần rõ ràng. Phần I dành cho mạch điện. Phần này giữ nguyên nội dung sau những sửa đổi quan trọng. Phần II trình bày điện tử. Phần III tập trung vào cơ điện tử. Mỗi phần có cấu trúc logic từ cơ bản đến nâng cao. Nội dung cập nhật phản ánh tiến bộ công nghệ. Sự phân chia này giúp người học tiếp cận từng lĩnh vực theo trình tự hợp lý. Ba phần liên kết chặt chẽ tạo nền tảng toàn diện.

II. Phương pháp sư phạm và công cụ hỗ trợ học tập trong sách

Cuốn sách áp dụng phương pháp sư phạm hiện đại và hiệu quả. Mỗi nguyên lý được minh họa bằng ví dụ cụ thể từ thực tế công nghiệp. Bài tập được thiết kế từ cơ bản đến nâng cao. Cách trình bày rõ ràng, mạch lạc giúp sinh viên tiếp cận dễ dàng. Công nghệ hỗ trợ học tập đóng vai trò quan trọng. Đĩa CD-ROM cung cấp file điện tử cho các phần mềm phổ biến. Phiên bản demo Electronics Workbench cho phép thí nghiệm ảo. Bảng dữ liệu linh kiện điện tử phổ biến được cung cấp. Tài liệu tham khảo trực tuyến mở rộng khả năng tìm kiếm thông tin. Thí nghiệm ảo giúp sinh viên thực hành kỹ năng phân tích mạch. Phương pháp kết hợp truyền thống và công nghệ tạo hiệu quả học tập tối ưu.

2.1. Phần Focus on Measurements và ứng dụng đo lường

Phần Focus on Measurements nhấn mạnh tầm quan trọng của đo lường. Đo lường là sợi chỉ chung cho mọi ngành kỹ thuật và khoa học. Phần này minh họa ứng dụng rộng rãi của kỹ thuật điện. Các ví dụ liên quan đến nhiều lĩnh vực ngoài điện tử. Bao gồm y sinh, cơ khí, nhiệt và hệ thống chất lỏng. Cách tiếp cận này kích thích tư duy sáng tạo. Sinh viên hiểu cách áp dụng kỹ thuật điện vào ngành học của mình. Đo lường chính xác là nền tảng cho mọi quy trình kỹ thuật.

2.2. Tài nguyên trực tuyến và đĩa CD ROM đi kèm

Cuốn sách tích hợp tài nguyên trực tuyến phong phú. Tham chiếu website cung cấp điểm khởi đầu khám phá kỹ thuật điện. Các website chứa thông tin về công ty, sản phẩm và phương pháp. Một số site có tài liệu hướng dẫn bổ sung cho nội dung sách. Đĩa CD-ROM chứa nhiều tài liệu giá trị. File điện tử cho Matlab, MathCad và Electronics Workbench. Phiên bản demo Electronics Workbench miễn phí. Thí nghiệm ảo Virtual Laboratory. Bảng dữ liệu linh kiện và tài liệu tham khảo bổ sung.

III. Phân tích nội dung mạch điện và nguyên lý cơ bản trong sách

Phần mạch điện là nền tảng quan trọng nhất trong cuốn sách. Nội dung trình bày từ khái niệm cơ bản đến phân tích phức tạp. Điện trở, mạch nối tiếp và song song được giải thích rõ ràng. Quy tắc phân áp được trình bày chi tiết. Mạch hở và mạch ngắn là khái niệm lý tưởng hóa hữu ích. Mạch hở có điện trở tiến đến vô cực. Dòng điện bằng không bất kể điện áp bên ngoài. Trong thực tế, khoảng hở trong đường dẫn dẫn điện tạo mạch hở. Mạch ngắn có điện trở tiến đến không. Điện áp bằng không bất kể dòng điện chạy qua. Các khái niệm này được sử dụng rộng rãi trong phân tích mạch. Phương pháp đơn giản hóa mạch phức tạp thành tổ hợp nối tiếp và song song. Cách tiếp cận này giúp sinh viên hiểu bản chất của mạch điện.

3.1. Khái niệm mạch hở và mạch ngắn trong phân tích mạch

Mạch hở là phần tử mạch có điện trở tiến đến vô cực. Không dòng điện chạy qua bất kể điện áp đặt. Trong thực tế, khoảng hở trong dẫn điện tạo mạch hở. Tuy nhiên, điện áp đủ cao có thể phá vỡ vật liệu cách điện. Hiện tượng hồ quang xảy ra khi ion hóa không khí. Nguyên lý này được ứng dụng trong bugi động cơ đốt trong. Mạch ngắn có điện trở tiến đến không. Điện áp bằng không bất kể dòng điện. Hai khái niệm này là công cụ cơ bản trong phân tích mạch.

3.2. Điện trở nối tiếp và quy tắc phân áp

Điện trở nối tiếp là cấu trúc cơ bản trong mạch điện. Tổng điện trở bằng tổng các điện trở thành phần. Quy tắc phân áp xác định điện áp trên từng điện trở. Điện áp tỷ lệ với điện trở của phần tử đó. Công thức đơn giản: V = I × R. Quy tắc này áp dụng cho mạch nối tiếp. Mạch phức tạp có thể giảm thành tổ hợp nối tiếp và song song. Cách tiếp cận này đơn giản hóa quá trình phân tích. Sinh viên cần nắm vững nguyên lý này trước khi học mạch nâng cao.

IV. Ứng dụng thực tế và giá trị giáo dục của cuốn sách Rizzoni

Cuốn sách Principles and Applications of Electrical Engineering có giá trị ứng dụng rộng rãi. Kiến thức áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại. Kỹ thuật ô tô sử dụng nguyên lý mạch điện và điện tử. Hàng không vũ trụ cần hiểu biết về cơ điện tử. Ngành y sinh áp dụng kỹ thuật đo lường điện tử. Robotics kết hợp điện tử và cơ khí. Cuốn sách trang bị nền tảng vững chắc cho kỹ sư liên ngành. Nội dung cập nhật phản ánh xu hướng công nghệ số. Vi xử lý và điện tử số được tích hợp trong nhiều sản phẩm. Kỹ sư hiện đại cần giao tiếp hiệu quả trong nhóm liên ngành. Cuốn sách đáp ứng nhu cầu đào tạo này. Giá trị giáo dục thể hiện qua phương pháp tiếp cận thực tiễn. Ví dụ từ nghiên cứu công nghiệp giúp sinh viên hiểu ứng dụng thực tế.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo kỹ thuật liên ngành

Cuốn sách được sử dụng rộng rãi trong đào tạo kỹ thuật. Nhiều trường đại học chọn làm giáo trình chính. Nội dung phù hợp cho chương trình kỹ thuật liên ngành. Sinh viên cơ khí, công nghiệp, hóa học đều có thể học. Cách tiếp cận thực tiễn giúp sinh viên áp dụng kiến thức. Nhóm liên ngành cần hiểu biết chung về kỹ thuật điện. Cuốn sách xây dựng nền tảng giao tiếp hiệu quả. Đào tạo liên ngành là xu hướng giáo dục hiện đại.

4.2. Tầm quan trọng của cuốn sách trong thời đại công nghệ số

Thời đại công nghệ số đặt ra yêu cầu mới cho đào tạo kỹ thuật. Điện tử và máy tính tích hợp trong mọi sản phẩm. Vi xử lý là trung tâm của nhiều quy trình kỹ thuật. Cuốn sách cập nhật nội dung theo xu hướng này. Điện tử số và vi tính hóa được nhấn mạnh. Kỹ sư cần hiểu nguyên lý cơ bản để làm việc hiệu quả. Cuốn sách cung cấp nền tảng vững chắc cho thời đại số. Giá trị của sách tăng theo sự phát triển công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

*[phone]* FIRST PAGES MASTER SET Please mark all alterations on this set only September 16, 2005 20:50 riz63473_fm Sheet number 11 Page number xi magenta black Preface he pervasive presence of electronic devices and instrumentation in all aspects of engineering design and analysis is one of the manifestations of the electronic revolution that has characterized the second half of the 20th century. Every aspect of engineering practice, and even of everyday life, has been affected in some way or another by electrical and electronic devices and instruments. Computers are perhaps the most obvious manifestations of this presence. However, many other areas of electrical engineering are also important to the practicing engineer, from mechanical and industrial engineering, to chemical, nuclear, and materials engineer- ing, to the aerospace and astronautical disciplines, to civil and the emerging field of biomedical engineering. Engineers today must be able to communicate effectively within the interdisciplinary teams in which they work. OBJECTIVES Engineering education and engineering professional practice have seen some rather profound changes in the past decade. The integration of electronics and computer technologies in all engineering academic disciplines and the emergence of digital electronics and microcomputers as a central element of many engineering products and processes have become a common theme over the nearly 20 years since the conception of this book. The principal objective of the book is to present the principles of electrical, elec- tronic, and electromechanical engineering to an audience composed of non–electrical engineering majors, and ranging from sophomore students in their first required in- troductory electrical engineering course, to seniors, to first-year graduate students en- rolled in more specialized courses in electronics, electromechanics, and mechatronics. A second objective is to present these principles by focusing on the impor- tant results and applications and presenting the students with the most appropriate analytical and computational tools to solve a variety of practical problems. Finally, a third objective of the book is to illustrate, by way of concrete, fully worked examples, a number of relevant applications of electrical engineering princi- ples. These examples are drawn from the author’s industrial research experience and from ideas contributed by practicing engineers and industrial partners. The three objectives listed above are met through the use of a number of ped- agogical features. The next two sections of this preface describe the organization of the book and the major changes that have been implemented in this fourth edition. ORGANIZATION AND CONTENT The book is divided into three parts, devoted to circuits, electronics, and electrome- chanics. Changes in the contents are described next. Part I: Circuits The first part of the book remains essentially unchanged, after the significant revisions brought by the fourth edition. The only major change is the addition of approximately 110 new homework problems. xi *[phone]* FIRST PAGES MASTER SET Please mark all alterations on this set only September 16, 2005 20:50 riz63473_fm Sheet number 12 Page number xii magenta black xii Preface Part: II Electronics Part II, on electronics, presents some new features in the treatment of transistors. Chapter 10, on bipolar transistors, and Chapter 11, on field-effect transistors, have been significantly reorganized to focus on the use of these devices in simple but useful circuits. Modeling emphasis is limited to large-signal models, which are sufficient for the intended purpose. New examples include the design of simple electric motor drivers and of battery chargers. These two chapters now present a new, uncomplicated, and practical treatment of the analysis and design of simple amplifiers and switching circuits using large-signal models. The revisions were based on a conscious decision to completely eliminate all of the material related to small-signal models of amplifiers. Chapter 12, on power electronics, includes two new examples describing power stage amplifier characteristics. The remainder of the electronics section, Chapters 8 and 9, and 13, 14, and 15, are mostly unchanged, except for the addition of a handful of new application-oriented examples. Nearly 100 new homework problems have been added to Part II. Part III: Electromechanics Part III on Electromechanics has been revised for accuracy and pedagogy, but its contents are largely unchanged. This part has been used for many years by the author as a supplement in a junior-year “System Dynamics” course for mechanical engineers. The chapters include some New examples and approximately 20 new problems. New in the fifth edition is the inclusion of two chapters on communications. These chapters have been added at the request of numerous schools, where it is felt that a modern engineer needs to have exposure to basic principles of communication systems. Chapter 16 is a revised edition of the an analog communications chapter that has been available on the book website since the third edition. The intent of the chapter is to present the basic principles of analog communications systems, leading to a basic understanding of analog AM and FM systems. Chapter 17, courtesy of Dr. Michael Carr, of the Ohio State University ElectroScience Laboratory, introduces the basic principles of digital communications systems. Both chapters focus on applications. Instructors will find additional suggestions on the organization of course mate- rials at the book’s website http://www. Suggestions and sample curricula from users of the book are welcome! FEATURES OF THE FIFTH EDITION Pedagogy The fifth edition continues to offer all of the time-tested pedagogical features available in the earlier editions. • Learning Objectives offer an overview of key chapter ideas. Each chapter opens with a list of major objectives, and throughout the chapter the learning objective icon indicates targeted references to each objective. *[phone]* FIRST PAGES MASTER SET Please mark all alterations on this set only September 16, 2005 20:50 riz63473_fm Sheet number 13 Page number xiii magenta black Preface xiii • Focus on Methodology sections summarize important methods and procedures for the solution of common problems and assist the student in developing a methodical approach to problem solving. • Clearly Illustrated Examples illustrate relevant applications of electrical engineering principles. The examples are fully integrated with the “Focus on Methodology” material, and each one is organized according to a prescribed set logical steps. • Check Your Understanding exercises follow each example in the text and allow students to confirm their mastery of concepts. • Make the Connection sidebars present analogies to students to help them see the connection of electrical engineering concepts to other engineering disciplines. • Focus on Measurements boxes emphasize the great relevance of electrical engineering to the science and practice of measurements. • Find It on the Web links included throughout the book give students the opportunity to further explore practical engineering applications of the devices and systems that are described in the text. Supplements The book includes a wealth of supplements, many available in electronic form. These include • A CD-ROM containing computer-aided example solutions, a list of Web references for further research, device data sheets, Hewlett-Packard Instrumentation examples, and a motor control tutorial. • A website (Online Learning Center) will be updated to provide students and instructors with additional resources for teaching and learning. You can find this site at http://www.com/rizzoni Online Learning Center (http://www.com/rizzoni) Resources on this site include: For Students: • Algorithmic Problems that allow step-by-step problem-solving using a recursive computational procedure to create an infinite number of problems. • Device Data Sheets • Hewlett-Packard Instrumentation Examples • A Motor Control Tutorial, and more… *[phone]* FIRST PAGES MASTER SET Please mark all alterations on this set only September 16, 2005 20:50 riz63473_fm Sheet number 14 Page number xiv magenta black xiv Preface For Instructors: • PowerPoint presentation slides of important figures from the text • Instructor’s Solutions Manual with complete solutions (for instructors only) • COSMOS (Complete Online Solutions Manual Organizing System) • MATLAB Solution files for selected problems For Instructors and Students: • Find It on the Web links, which give students the opportunity to explore, in greater depth, practical engineering applications of the devices and systems that are described in the text. In addition, several links to tutorial sites extend the boundaries of the text recnt research developments, late-breaking science and technology news, learning resources, and study guides to help you in your studies and research • News feeds provide current daily news from The New York Times and other reliable online news resources related to the topics in the text. While most students and instructors have access to currents news online, these feeds are selected based on the topics presented in each chapter of Rizzon’s text. ACKNOWLEDGMENTS This edition of the book requires a special acknowledgment for the effort put forth by my friend Tom Hartley of the University of Akron, who has become a mentor, coach, and inspiration for me throughout this project. Professor Hartley, who is an extraordinary teacher and a devoted user of this book, has been closely involved in the development of the fifth edition by suggesting topics for new examples and exercises, creating new homework problems, providing advice and coaching through all of the revisions, and sometimes just by lifting my spirits. I look forward to many more years of such collaborations. I would also like to recognize the focused effort of Dr. Michael Carr, of the Ohio State University ElectroScience Laboratory, who is responsible for creating Chapter 17 on Digital Communications. His efforts and the assistance provided by graduate students Adam Margetts and Aditi Kothiyal are very much appreciated. This book has been critically reviewed by the following people. • Ravel Ammerman, Colorado School of Mines • Glen Archer, Michigan Technological University • Ray Bellem, Embry-Riddle Aeronautical University • Keith Burgers, University of Arkansas *[phone]* FIRST PAGES MASTER SET Please mark all alterations on this set only September 16, 2005 20:50 riz63473_fm Sheet number 15 Page number xv magenta black Preface xv • Doroteo Chaverria, University of Texas—San Antonio • Randy Collins, Clemson University • Marcelo J. Dapino, The Ohio State University • Alexandros Eleftheriadis, Columbia University • Otto M. Friedrich, University of Texas—Austin • Takis Kasparis, University of Central Florida • Rasool Kenarangui, University of Texas—Arlington • Andy Mayers, Penn State University • Nathan Shenck, U. Naval Academy • Dr. Shrestha, University of Missouri—Rolla • Miklos N. Szilagyi, University of Arizona • Albert H. Titus, SUNY Buffalo • Trac D. Tran, Johns Hopkins University In addition, I would like to thank the many colleagues who have pointed out errors and inconsistencies in the fourth edition. We have gladly accepted all of their suggestions. The following is a a partial list of those who have contributed to improving the accuracy of this book., Amrita School of Engineering, India • Thomas Schubert, University of San Diego • T. Liu, Professor, Chiao Tung University, Taiwan • Mohan Krishnan, University of Detroit Mercy • Stephen Deese • Rony Shahidain The author is also grateful to Mr. David Mikesell and Mr. Qi Ma, graduate students at Ohio State, for help and advice. Book prefaces have a way of marking the passage of time. When the first edition of this book was published, the birth of our first child, Alex, was nearing. Each of the following two editions was similarly accompanied by the births of Maria and Michael. Now that we have successfully reached the fifth edition (but only the third child) I am observing that Alex is beginning to understand some of the principles exposed in this book through his passion for the FIRST Lego League and the Lego Mindstorms robots. Through the years, our family continues to be the center of my life, and I am grateful to Kathryn, Alessandro, Maria, and Michael for all their love. Contents Chapter 1 Introduction to Electrical Network Analysis 55 Circuit Variables 56 Engineering 1 Ground 57 1.2 Electrical Engineering Chapter 3 Resistive Network as a Foundation for the Design Analysis 71 of Mechatronic Systems 4 1.3 Fundamentals of Engineering Exam 3.1 The Node Voltage Method 72 Review 8 Nodal Analysis with Voltage Source 77 1.4 Brief History of Electrical Engineering 9 3.2 The Mesh Current Method 78 1.5 Systems of Units 10 Mesh Analysis with Current Sources 82 1.6 Special Features of This Book 11 3.