[share_ebook] Lessons In Electric Circuits, Volume I – DC

Description

Contents
1 BASIC CONCEPTS OF ELECTRICITY 1
1.1 Static electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Conductors, insulators, and electron ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Voltage and current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6 Voltage and current in a practical circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.7 Conventional versus electron ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.8 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2 OHM's LAW

2.1 How voltage, current, and resistance relate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 An analogy for Ohm's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 Power in electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Calculating electric power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6 Nonlinear conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7 Circuit wiring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.8 Polarity of voltage drops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.9 Computer simulation of electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.10 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3 ELECTRICAL SAFETY

3.1 The importance of electrical safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2 Physiological effects of electricity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3 Shock current path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4 Ohm's Law (again!) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5 Safe practices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6 Emergency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.7 Common sources of hazard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.8 Safe circuit design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.9 Safe meter usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.10 Electric shock data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.11 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4 SCIENTIFIC NOTATION AND METRIC PREFIXES

4.1 Scientic notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2 Arithmetic with scientic notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3 Metric notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4 Metric prex conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.5 Hand calculator use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.6 Scientic notation in SPICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5 SERIES AND PARALLEL CIRCUITS

5.1 What are ”series” and ”parallel” circuits? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Simple series circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3 Simple parallel circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.4 Conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.5 Power calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.6 Correct use of Ohm's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.7 Component failure analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.8 Building simple resistor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

6 DIVIDER CIRCUITS AND KIRCHHOFF'S LAWS

6.1 Voltage divider circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.2 Kirchhoff's Voltage Law (KVL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.3 Current divider circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4 Kirchhoff's Current Law (KCL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

7 SERIES-PARALLEL COMBINATION CIRCUITS

7.1 What is a series-parallel circuit? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.2 Analysis technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.3 Re-drawing complex schematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.4 Component failure analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.5 Building series-parallel resistor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

8 DC METERING CIRCUITS

8.1 What is a meter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.2 Voltmeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
8.3 Voltmeter impact on measured circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.4 Ammeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
8.5 Ammeter impact on measured circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
8.6 Ohmmeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
8.7 High voltage ohmmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.8 Multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.9 Kelvin (4-wire) resistance measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
8.10 Bridge circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.11 Wattmeter design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.12 Creating custom calibration resistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
8.13 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

9 ELECTRICAL INSTRUMENTATION SIGNALS

9.1 Analog and digital signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.2 Voltage signal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.3 Current signal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
9.4 Tachogenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.5 Thermocouples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
9.6 pH measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
9.7 Strain gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.8 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

10 DC NETWORK ANALYSIS

10.1 What is network analysis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
10.2 Branch current method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
10.3 Mesh current method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
10.4 Node voltage method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
10.5 Introduction to network theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
10.6 Millman's Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
10.7 Superposition Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
10.8 Thevenin's Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
10.9 Norton's Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
10.10Thevenin-Norton equivalencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
10.11Millman's Theorem revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
10.12Maximum Power Transfer Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
10.13¢-Y and Y-¢ conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
10.14Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

11 BATTERIES AND POWER SYSTEMS

11.1 Electron activity in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
11.2 Battery construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
11.3 Battery ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
11.4 Special-purpose batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
11.5 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
11.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408

12 PHYSICS OF CONDUCTORS AND INSULATORS

12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
12.2 Conductor size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
12.3 Conductor ampacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
12.4 Fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
12.5 Specic resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
12.6 Temperature coefcient of resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
12.7 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
12.8 Insulator breakdown voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
12.9 Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
12.10Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

13 CAPACITORS

13.1 Electric elds and capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
13.2 Capacitors and calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
13.3 Factors affecting capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
13.4 Series and parallel capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
13.5 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
13.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

14 MAGNETISM AND ELECTROMAGNETISM

14.1 Permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
14.2 Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
14.3 Magnetic units of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
14.4 Permeability and saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
14.5 Electromagnetic induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
14.6 Mutual inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
14.7 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

15 INDUCTORS

15.1 Magnetic elds and inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
15.2 Inductors and calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
15.3 Factors affecting inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
15.4 Series and parallel inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
15.5 Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
15.6 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

16 RC AND L/R TIME CONSTANTS

16.1 Electrical transients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
16.2 Capacitor transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
16.3 Inductor transient response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
16.4 Voltage and current calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
16.5 Why L/R and not LR? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
16.6 Complex voltage and current calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
16.7 Complex circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
16.8 Solving for unknown time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
16.9 Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
A-1 ABOUT THIS BOOK 525
A-2 CONTRIBUTOR LIST 529

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