项目2--直流电路的认识与测量

【知识目标】1.了解电路的组成和电路的三种工作状态。2．掌握电流、电压、电功率和电能的概念。3．掌握电阻定律和欧姆定律。4.了解电阻与温度的关系。5.理解电动势、端电压和电位的概念。项目2直流电路的认识与测量【技能目标】1.会计算电阻的串联和并联的数值。2.会分析计算电路中各点的电位。3．会用基尔霍夫定律分析计算简单直流电路，会用支路电流法分析计算简单直流电路。4.能正确使用电流表进行测量。5.会使用万用表对电压、电流和电阻进行测量。2.1.1电路中的基本物理量一、电流1、电流的大小：电荷的定向移动就形成了电流，电流的大小为单位时间内通过某导体横截面的电荷量，即：当电流的大小、方向均不随时间变化时，称为直流电流，即：dtdqitqI2、电流的方向•正电荷运动的方向为电流的正方向。任意选定某一方向作为电流的正方向，称为电流的参考方向。•当电流的实际方向与参考方向一致时，该电流为正值；当电流的实际方向与参考方向相反时，该电流为负值，如图2-1所示。图2-1二、电压和电动势1、电压电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功称为ab两点间的电压，即：电压的实际方向是由高电位端指向低电位端。在实际电路的分析计算中，也需要引入一个电压的参考方向。根据电压的参考方向与数值的正负就可判断出电压的实际方向，如图2-2所示。ABdqdWU2、电动势电动势描述的是在电源中外力做功的能力，它的大小等于外力在电源内部克服电场力把单位正电荷从负极移动到正极所做的功，用字母来表示。它的实际方向在电源内部是由电源负极指向电源正极的，如图2-3所示。图2-2图2-3三、电功率和电能1、电功率电流通过电路时传输或转换电能的速率称为电功率，简称为功率，用符号p表示。当电压与电流为关联参考方向时，功率的计算公式为：当电压与电流为非关联参考方向时，功率的计算公式为：uidtdWpuip2、电能电路在一段时间内吸收的能量称为电能。在国际单位制（SI）中，电能的单位是焦耳（J）。1J等于1W的用电设备在1s内消耗的电能。电力工程中，电能常用“度”作单位，它是千瓦小时（kWh）的简称，1度等于功率为1kW的用电设备在1小时内消耗的电能。ttpdtW02.1.2电流的测量•测电流时，电表要与被测元件所在的支路串联。•1.用DT-830型数字万用表测量直流电流•将量程开关拨至“DCA”范围内的合适挡位。当被测量电流小于200mA时，将红表笔插入“200mA”孔，黑表笔插入“COM”孔；当被测电流超过200mA时，应将红表笔插入“10A”插孔，黑表笔插入“COM”孔。•将两表笔与被测电路串联连接，显示器即显示出被测的电流值，同时显示出红表笔一端的电流极性。2．用DT-830型数字万用表测量交流电流•将量程开关拨至“ACA”范围内的合适挡位。•当被测量电流小于200mA时，将红表笔插入“200mA”孔，黑表笔插入“COM”孔;当被测电流超过200mA时，应将红表笔插入“10A”孔，黑表笔插入“COM”孔。•将两表笔与被测电路串联连接，显示器即显示被测的电流有效值。2.1.3电压的测量•1．用指针式万用表测量直流电压•在万用表面板上标有“+”符号的孔中插入红表笔，接直流电压的正极，在面板上标有“-”符号的孔中插入黑表笔，接直流电压的负极。•再选择相应的量程，即可对直流电压进行测量，从表盘指针的位置可读出测量的电压值。2．用指针式万用表测量交流电压•因为交流电压无极性的区别，所以只要将量程开关放置在交流电压的相应量程挡，两只表笔并联在两个测量点上即可。3．用DT-830型数字万用表测量直流电压•将电源开关拨至“ON”，将量程开关拨至“DCV”范围内的合适量程，把红表笔插入“V/Ω”孔，把黑表笔插入“COM”孔，将两表笔与被测源并联，数字表在显示被测量电压数值的同时自动显示红表笔端电压的极性。4．用DT-830型数字万用表测量交流电压•将量程开关拨至“ACV”范围内的适合量程，两只表笔的接法同上。•当被测信号的频率为45～500Hz时，且输入信号为正弦波，则所显示的测量值为交流电压有效值。2.1.4电功率的测量图2.7功率表的接线图2.1.5电能的测量•电度表是测量电能的仪表。电度表原理接线图如图2.8所示。图2.8电度表原理接线图任务2.2直流电路基本元件的认识与测量•2.2.1简单直流电路的初步认识•手电筒的电路结构图。弹簧US电灯泡开关金属连片RLUS开关负载电源一、电路的组成和作用•电路一般由电源、负载和中间环节三部分组成。•电源是向电路提供电能的设备，它们可将机械能、化学能等转换为电能；•负载为各类用电器，它们吸收电能并将电能转换成光能、热能和机械能等；•中间环节主要起连接和控制作用。（2）电路的功能•一个完整的电路由电源．负载．中间环节（包括开关和导线等）三部分按一定方式组合而成。•1）能量的传送．分配与转换•2）实现信息的传递与处理3．理想电路元件•从能量的角度来看，电路在工作过程中存在三种电磁特性：•电能的消耗。•电能与电场能的转换。•电能与磁场能的转换。•在电路中一个实际电路器件往往具有两种或两种以上电磁特性，同时存在几种能量形式。理想电路元件•理想电路元件就是具有某种确定的电或磁性质的假想元件。每一种理想电路元件只具有一种物理现象或性质，它们或它们的组合可以反映出实际电路器件的电磁性质和电路的电磁现象。•表示电路中消耗电能的元件叫电阻元件。•具有储存和释放磁场能量的元件叫电感元件。•具有储存和释放电场能量的元件叫电容元件。三种理想电路元件的符号RLC•三种电路元件的电路符号:•图2.11三种理想电路元件的符号RLC（a）电阻元件（b）电感元件（c）电容元件RLC4．电路模型•电路模型就是用理想电路元件或它们的组合通过一定的连接来模拟实际电路的特性所构成的实际电路的模型（简称电路）。•在不同的条件下，同一实际器件可能采用不同的模型。模型取得恰当，对电路分析和计算的结果就与实际情况接近，否则会造成很大误差，有时甚至导致自相矛盾的结果。2.2.2直流电路基本元件的特性一、电阻元件1、电阻和电导电阻是反映元件对电流阻碍作用的参数，电阻元件在电路中的主要特征是消耗电能。电阻的倒数称为电导，电导表示了导体的导电能力，用G来表示，即电导的单位是西门子（S）。RG12、伏安特性在关联参考方向下，流过线性电阻元件的电流与电阻两端的电压成正比，其表达式为：u=Ri线性电阻的电阻值是一个常数，所以其伏安特性曲线是一条经过原点的直线，如图2-15所示。图2-15常用电阻元件的外形与图形符号二、电感元件电感元件是实际电感器的理想化模型，它是反映电路器件储存磁场能量这一物理性能的理想元件。一个电感线圈，当电流通过后，会产生磁通，若磁通与N匝线圈相交链，则线圈的磁链：图2-18ABii＋－uL,LLiNLL常见电感器的外型和图形符号三、电容元件电容元件是实际电容器的理想化模型，它是反映在电路中储存电场能量这一物理性能的理想元件。我们常将电容元件简称为电容，它也是表征材料（或器件）储存电场能量的一种参数。电容元件的电容量与电容器上存储的电荷量q和它两端的电压uC的关系为：CCuq常用电容元件的外型与图形符号1．电阻的测量•（1）用万用表的欧姆挡直接测量•先估计被测电阻的大小，选择适当的量限，将万用表转换开关拨到电阻的相应档位上，被测电阻的值应尽量接近这一档位的中心电阻值，读数时误差较小。这种方法最简单，但准确度低。•（2）用伏安法进行测量•根据欧姆定律U=IR，只要用电压表测出电阻两端的电压，用电流表测出通过电阻的电流，就可以求出电阻值，这就是测量电阻的伏安法。用伏安法测电阻如果待测电阻的阻值比电流表的内阻大得多，则采用电压表外接法。如果待测电阻的阻值比电压表的内阻小得多，则采用电压表内接法。•（3）用惠斯通电桥法测电阻3124RRRR（4）高阻值电阻的测量•可采用兆欧表测量线路的高电阻。2．电容的测量•电容器常见故障有断路．短路．漏电等，可用万用表来进行其好坏判断。•1）漏电电阻的测量•把两表笔分别接到电容器的两引脚，将万用表转换开关拨到欧姆挡（R×10K或R×1K挡），可以看到万用表指针先摆向零，然后慢慢反向退回到无穷大附近。当指针稳定后所指示值即为该电容器的漏电电阻。2）断路测量•对于0.01μF以上的电容器可以用万用表进行测量，但必须根据电容器容量的大小，选取合适量程才能正确判断。•测量时用万用表的两表笔分别接到电容器的两引脚，如表针不动，将表笔对调后再测量，表笔仍不动，说明电容器已断路。对于0.01μF以下的小电容，用万用表不能判断其是否断路，只能用其他仪表进行鉴别（如Q表等）。3）电容器短路测量•用万用表的R×1挡将两表笔分别接电容器的两引脚，如指示值很小或为零，且指针不返回，说明电容器已被击穿，不能使用。3．电感器的测量•电感器常见的故障为电感器断路。•判断的方法是万用表的欧姆挡R×1或R×10档测量电感器的阻值，若为无穷大，表明电感器断路；若电阻值小，表明电感器正常。•可直接由标在固定电感器外壳上的数字读取电感量。当数字不清或被擦除时，应该用高频Q表或电桥等仪器进行测量。任务2.3直流电路中电位的测量及故障检测•2.３.1直流电路中的电位•电路中电流之所以能够沿着电压的方向流动，是因为电路中某两点之间存在电位差。•要比较两点的电位高低，必须要确定计算电位的起点———零参考点。•选定参考点后，某点对参考点的电压即为该点的电位，用字母V表示。•电路中a点到b点的电压就是a点电位与b点电位之差。结论•1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压；•2）参考点选的不同，电路中各点的电位值随着改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压值是绝对的。2.３.2直流电路中电压和电位的测量•测量电路中任意两点间的电压时，先在电路中假定电压的参考方向（或参考极性），将电压表的正．负极性分别与电路中假定的正．负相连接。若电压表正向偏转（实际极性与参考极性相同），则该电压记作正值；若电压表反向偏转，立即将电压表的两表笔相互交换接触位置，再读取读数（实际极性与参考极性相反），则该电压记作负值。•测量电路中的电位时，首先在电路中选定一参考点，将电压表跨接在被测点与参考点之间，电压表的读数就是该点的电位值。当电压表的正极接被测点，负极接参考点，电压表正向偏转，该点的电位为正值；若电压表反向偏转，立即交换电压表两表笔的接触位置，读取读数，该点的电位电位即为负值。任务2.4电压和电流分配关系的认识•2.４.1电源的理想化模型•理想电源按其特性的不同，又可分为理想电压源和理想电流源两种。一、电压源1、理想电压源图2.30理想电压源及其伏安特性曲线理想电压源的特点•⑴它的端电压保持为一个定值US，与流过它的电流无关；•⑵通过它的电流取决于它所联接的外电路。2、实际电压源U=US-IR0图2.31实际电压源及其伏安特性二、电流源1、理想电流源图2.32理想电流源及其伏安特性曲线2、实际电流源I=IS-U/R0图2.33实际电流源及其伏安特性曲线2.４.2关于电路结构的几个常用名词•1．支路：电路中通过同一电流的每个分支称为支路。•2．节点：电路中3个或3个以上支路的连接点称为节点。•3．回路：电路中任一闭合的路径称为回路。•4．网孔：网孔是存在于平面电路的一种特殊回路，这种回路除了构成其本身的那些支路外，在回路内部不另含有支路。图2.35具有三条支路两个节点三个回路两个网孔的电路I1I3US1R1US2R2R3I2abcde···++2.４.3关于电路的两个重要定律•1.基尔霍夫电流定律(KCL)•对于集中参数电路的任一节点，在任一瞬间，流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。•KCL数学表示式为：•出入ii一般规定以流入节点为正，流出节点为负。KCL之应用•例2.6在图2.36所示的电路中，已知i1=6A，i2=-4A，i3=-8A，i4=10A，求i5。••••i1i1i3i5i4a图2.36例2.6