《電工電子技術(shù)簡明教程》 課件 3 直流電路的認(rèn)識與測量

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項目2直流電路的認(rèn)識與測量知識目標(biāo)1、了解電路的組成和各部分電路的作用。2、知道電路的三種工作狀態(tài)和意義。3、掌握電流、電壓和功率的概念。技能目標(biāo)1、會計算電阻的串聯(lián)與并聯(lián)。2、會計算直流電路中的電位。3、會用基爾霍夫定律分析計算電路。4、會使用電工測量儀器測量電路。知識鏈接一、電路中的基本物理量1．電流電荷的定向運動形成電流，電流在電路中的流動而產(chǎn)生了電能和其他形式能量之間的轉(zhuǎn)換。電路中沒有電流，就沒有能量轉(zhuǎn)換的發(fā)生。它是電路分析中的一個基本變量。（1）電流的大小電流的大小稱為電流強度，用符號I或i表示，定義為單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。即當(dāng)電流的大小、方向均不隨時間變化時，稱為直流電流，用大寫字母I來表示，即電流強度簡稱電流，所以“電流”一詞不僅表示電荷定向運動的物理現(xiàn)象，而且也代表電流強度這樣一個物理量。（3-1）國際單位制中電流的單位是安培（Ａ），簡稱安。電力系統(tǒng)中，有時取千安（kA）為電流的單位；而電子系統(tǒng)中常用毫安（mA）、微安（μA）作電流的單位。其換算關(guān)系為

1

kA=103

A1

A=103

mA=106

μA（2）電流的方向人們規(guī)定：正電荷運動的方向為電流的方向。在簡單電路中，人們很容易判斷出電流的實際方向，但是對于比較復(fù)雜的電路，電流的實際方向就很難直觀判斷了。另外，在交流電路中，電流是隨時間變化的，在圖上也無法表示其實際方向。為了解決這一問題，需引入電流的參考方向這一概念。參考方向，也稱正方向，是假定的方向。電流的參考方向可以任意選定，在電路中一般用實線箭頭表示。然而，所選取的電流參考方向不一定就是電流的實際方向。當(dāng)電流的參考方向與實際方向一致時，電流為正值（i

>0）；當(dāng)電流的參考方向與實際方向相反時，電流為負(fù)值（i<0）。這樣，在選定的參考方向下，根據(jù)電流的正負(fù)，就可以確定電流的實際方向，如圖3-1所示。圖3-1電流的實際方向與參考方向所以在對電路進(jìn)行分析時，首先要假定電流的參考方向，并用箭頭在圖中標(biāo)出，然后進(jìn)行分析計算，最后再從結(jié)果的正負(fù)值與圖中標(biāo)出的參考方向來確定電流的實際方向。如果圖中沒有標(biāo)出參考方向，那么計算結(jié)果的正負(fù)是無意義的。2．電壓（1）電壓的大小在電路中，電場力做功使電荷做定向移動。為了衡量電場力做功的能力，引入了電壓這一物理量。定義：電場力把單位正電荷從a點移動到b點所做的功稱為a、b兩點間的電壓，用字母uab表示，即在式（3-2）中，dw表示電場力將電荷量為dq的正電荷從a點移動到b點所做的功，單位為焦耳（J），簡稱焦。在國際單位制中，電壓的單位是伏特，用大寫字母V表示，簡稱伏，常用的電壓單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。各單位之間的換算關(guān)系為1kV=103

V1mV=10-3

V1

μV=10-6

V

（3-2）（2）電壓的方向

電壓的實際方向是由高電位端指向低電位端。在實際電路的分析計算中，也需要引入電壓的參考方向，當(dāng)電壓的實際方向與參考方向一致時，該電壓為正值；當(dāng)電壓的實際方向與參考方向相反時，該電壓為負(fù)值。根據(jù)電壓的參考方向與數(shù)值的正負(fù)就可判斷出電壓的實際方向，如圖3-2所示。電壓的參考方向通常用箭頭來表示，箭頭方向為假定電壓降的方向，也可以用“+”表示假定的高電位端，用“-”表示假定的低電位端，還可以用帶雙下標(biāo)的字母來表示，例如，Uab表示電壓的參考方向是由a指向b。（3）電動勢電動勢描述的是在電源中外力做功的能力，它的大小等于外力在電源內(nèi)部克服電場力把單位正電荷從負(fù)極移動到正極所做的功，用字母E表示。它的實際方向在電源內(nèi)部是由電源負(fù)極指向電源正極的，如圖3-3所示。圖3-2電壓的實際方向與參考方向圖3-3電動勢與電壓的方向（4）關(guān)聯(lián)參考方向雖然電壓與電流的參考方向可以任意選定，但為了計算方便，常選擇某段電路中的電流方向與電壓的參考方向一致，稱為關(guān)聯(lián)參考方向，如圖3-4（a）所示。當(dāng)電壓與電流的參考方向不一致時，稱為非關(guān)聯(lián)參考方向，如圖3-4（b）所示。3．電功率

正電荷從高電位移動到低電位，電場力做正功，電路吸收電能；正電荷從低電位移動到高電位，外力克服電場力做功，電路將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，電路發(fā)出電能。在單位時間內(nèi)，電路吸收或發(fā)出的電能定義為該電路的電功率，簡稱功率，用字母P或p表示。當(dāng)電壓與電流為關(guān)聯(lián)參考方向時，功率的計算公式為圖3-4電壓與電流的關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向（3-3a）當(dāng)電壓和電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，功率的計算公式為式中：u為此元件或這一部分電路的端電壓；i為流經(jīng)此元件或電路的電流。以上兩個公式中，若p>0，則電路或元件吸收（或消耗）功率；若p<0，則表示此電路或元件發(fā)出（或產(chǎn)生）功率。功率單位是瓦特（W），簡稱瓦。除了W之外，還有kW（千瓦）、mW（毫瓦）。它們的關(guān)系為1

kW=103W=106mW【例3-1】（1）在圖3-5（a）、（b）中，電流均為3A，且均由a點流向b點，求這兩個元件的功率，并判斷它們的性質(zhì)。（2）圖3-5（b）中，若元件產(chǎn)生的功率為4W，求電流。

（3-3b）圖3-5例3-1電路解：（1）設(shè)電路圖3-5（a）中電流I的參考方向由a指向b，則對圖（a）所示元件來說，電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向，故此元件的功率為P

>0，則此元件吸收功率。對圖3-5（b）所示元件來說，設(shè)電流I的參考方向由a指向b，則電壓、電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，故此元件的功率為P

>0，則此元件吸收功率。（2）設(shè)圖3-5（b）中電流I的參考方向由a指向b，因是產(chǎn)生功率4

W，故功率，由得負(fù)號表明電流的實際方向是由b指向a。以上我們學(xué)習(xí)了電路分析中常用的電流、電壓和功率的基本概念及相應(yīng)的計算公式，這些量可以取不同的時間函數(shù)，所以它們又稱變量。

圖3-6例3-2電路習(xí)慣上常把電流、電壓參考方向設(shè)成關(guān)聯(lián)，有時為了簡化，一個元件上只標(biāo)出電流或電壓一個量的參考方向，意味著省略的那個量的參考方向與給出量的參考方向是關(guān)聯(lián)的。電路中的功率與電壓和電流的乘積有關(guān)，因此用來測量功率的儀表必須具有兩個線圈：一個用來反映負(fù)載電壓，與負(fù)載并聯(lián)，稱為并聯(lián)線圈或電壓線圈；另一個用來反映負(fù)載電流，與負(fù)載串聯(lián)，稱為串聯(lián)線圈或電流線圈。這樣，電動式儀表可以用來測量功率，通常用的就是電動式功率表?！纠?-2】圖3-6所示為某電路的一部分，已知U1=4

V，U2=-3

V，U3=2

V，I1=2

A，I2=4

A，I3=-2

A，求各元件吸收或產(chǎn)生的功率。解：元件1

元件2

元件3P3=-U3I3=（-2）X(-2)=4W

因為元件1和元件2的電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向，用公式P=UI計算，而計算結(jié)果P1>0說明元件1吸收功率，而P2<0說明元件2產(chǎn)生功率，元件3的電壓電流為非關(guān)聯(lián)參考方向，用公式P=-UI計算，P3>0，說明元件3實際是吸收功率的。對于一個完整電路而言，它吸收的功率與產(chǎn)生的功率總是相等的

，即在任一時間t，任一電路中的所有元件上功率的代數(shù)和等于零，這稱為功率平衡。圖3-6例3-2電路4．電能根據(jù)電功率的計算式（3-3）可得dw=pdt則在t0到t的一段時間內(nèi)，電路消耗的電能為電能在直流電路中的表達(dá)式為

W=Pt=UIt

（3-4）電能的單位為J（焦），常用的還有kW·h（千瓦·時），習(xí)慣上稱為度。各單位之間的換算關(guān)系為

1度=1

kW·h=3.6×106

J二、電流的測量指針式萬用表的基本測量機構(gòu)實際上就是電流表，表頭指針的偏轉(zhuǎn)大小反映的就是流經(jīng)儀表的電流大小。測量直流電流時，通常選用磁電式直流電流表。在使用時要注意表的極性不要接反。在測量交流電流時若測量精度要求不高，可選用電磁式電流表，若測量精度要求高時，則可選用電動式電流表。測電流時，電表要與被測元件所在的支路串聯(lián)。1．用DT-830型數(shù)字萬用表測量直流電流將量程開關(guān)撥至“DCA”范圍內(nèi)的合適擋位。當(dāng)被測量電流小于200

mA時，將紅表筆插入“200mA”孔，黑表筆插入“COM”孔；當(dāng)被測電流超過200

mA時，應(yīng)將紅表筆插入“10A”插孔，黑表筆插入“COM”孔。將兩表筆與被測電路串聯(lián)，顯示器即顯示出被測的電流值，同時顯示出紅表筆一端的電流極性。2．用DT-830型數(shù)字萬用表測量交流電流將量程開關(guān)撥至“ACA”范圍內(nèi)的合適擋位。當(dāng)被測量電流小于200

mA時，將紅表筆插入“200mA”孔，黑表筆插入“COM”孔；當(dāng)被測電流超過200

mA時，應(yīng)將紅表筆插入“10

A”孔，黑表筆插入“COM”孔。將兩表筆與被測電路串聯(lián)，顯示器即顯示被測的電流有效值。三、電壓的測量1．用指針式萬用表測量直流電壓在萬用表面板上標(biāo)有“+”符號的孔中插入紅表筆，接直流電壓的正極，在面板上標(biāo)有“-”符號的孔中插入黑表筆，接直流電壓的負(fù)極。再選擇相應(yīng)的量程，即可對直流電壓進(jìn)行測量，從表盤指針的位置可讀出測量的電壓值。2．用指針式萬用表測量交流電壓因為交流電壓無極性的區(qū)別，所以只要將量程開關(guān)放置在交流電壓的相應(yīng)量程擋，兩只表筆并聯(lián)在兩個測量點上即可。3．用DT-830型數(shù)字萬用表測量直流電壓將電源開關(guān)撥至“ON”（下同），將量程開關(guān)撥至“DCV”范圍內(nèi)的合適量程，把紅表筆插入“V/Ω”孔，把黑表筆插入“COM”孔，將兩表筆與被測源并聯(lián)，數(shù)字表在顯示被測量電壓數(shù)值的同時自動顯示紅表筆端電壓的極性。4．用DT-830型數(shù)字萬用表測量交流電壓將量程開關(guān)撥至“ACV”范圍內(nèi)的適合量程，兩只表筆的接法同上。當(dāng)被測信號的頻率為45～500Hz時，且輸入信號為正弦波，則所顯示的測量值為交流電壓有效值。四、電功率的測量圖3-7為功率表的接線圖。固定線圈的匝數(shù)少，導(dǎo)線粗，與負(fù)載串聯(lián)，作為電流線圈?？蓜泳€圈的匝數(shù)較多，導(dǎo)線較細(xì)，與負(fù)載并聯(lián)，作為電壓線圈。由于并聯(lián)線圈串聯(lián)有高阻值的倍壓器，它的感抗與其電阻相比可以忽略不計，所以可以認(rèn)為其中電流i2與兩端電壓u同相。這樣功率表指針偏轉(zhuǎn)角度（3-5）電動式功率表中指針的偏轉(zhuǎn)角度α與電路中平均功率P成正比。功率表的電壓線圈和電流線圈各有其量程。改變電壓量程的方法和電壓表一樣，即改變倍壓器的電阻值。電流線圈常常是由兩個相同的線圈組成，當(dāng)兩個線圈并聯(lián)或串聯(lián)時，電流量程發(fā)生相應(yīng)變化。五、電能的測量

電度表是測量電能的儀表。電度表結(jié)構(gòu)由驅(qū)動元件、轉(zhuǎn)動元件、制動元件、計度器組成，當(dāng)驅(qū)動元件即線圈中通入電流，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩驅(qū)動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，計度器計算轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，以達(dá)到測量電能的目的。電度表原理接線圖如圖3-8所示。電能的測量原理與功率測量原理相同。電能與功率和時間成正比，前面我們介紹了功率的測量。在電度表測量時，測量功率的大小與電度表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速成正比，而時間與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)成正比。電度表通過計算轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)實現(xiàn)電能的測量圖3-7功率表的接線圖圖3-8電度表原理接線圖

A—電流線圈；B—電壓線圈二、相關(guān)知識萬用表應(yīng)水平放置，測量前需調(diào)節(jié)表頭下方的調(diào)零旋鈕使指針指于零位。將紅、黑表筆分別插入正、負(fù)極插孔，然后根據(jù)測量種類將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到相應(yīng)的擋位上。萬用表標(biāo)度盤上有數(shù)條標(biāo)尺，要根據(jù)測量種類在相應(yīng)的標(biāo)尺上讀取數(shù)據(jù)，“DC”或“—”為測量