学习情境二指针式万用表的组装与调试 项目1电路的基本概念与定律 目录 电路模型与电路变量 2 基尔霍夫定律 3 电阻元件及其串并联 4 电圧源与电流源 5 学习项目导入 指针式万用表电路的特点 1 任务一学习项目导入 指针式万用表电路的特点 因此 电路如何进行等效是我们学习的内容之一 一 万用表的电路特点 任务一学习项目导入 指针式万用表电路的特点 1 万用表电原理图可以等效为 2 测量直流电压的电路特点 一只电流表也是一只电压表 但其所能测量电压的范围很小 用串联电阻分压的原理来扩大电压量程 任务一学习项目导入 指针式万用表电路的特点 3 测量直流电流的电路特点 万用表头可以直接测量直流电流 但由于测量机构中的游丝允许通过的电流较小 所以可测量的直流电流范围很小 在实际使用中 应用在表头并联分流电阻的原理扩大量程 经转换开关切换接入不同的分流电阻 以实现不同量程电流的测量 任务一学习项目导入 指针式万用表电路的特点 任务一学习项目导入 指针式万用表电路的特点 4 测量直流电阻的电路特点 任务二电路模型与电路变量 一 电路人们在日常生活或在生产和科研中广泛地使用着各种实际电路 这些电路的形式 特性和作用各不相同 1 电路的组成所谓电路 就是由电源 负载和中间环节等元器件按一定方式连接起来 为电流的流通提供路径的总体 也称为网络 图1 1所示为一个手电筒电路 图1 1手电筒电路 任务二电路模型与电路变量 图1 1手电筒电路 电路由三个部分组成 1 电源 电路中电能或电信号的发生器称为电源 2 负载 电路中的用电器称为负载 3 中间环节 其作用是将电源和负载连接起来 形成闭合路径 并实现对整个电路的控制 保护和测量 主要包括 连接导线 控制电器 如开关 继电器 接触器等 保护电器 如熔断器 测量仪表 如电压表 电流表等 任务二电路模型与电路变量 2 电路的作用电路的作用大致可分为 1 电能的传输与转换例如 电力网络将电能从发电厂输送到各个工厂 广大农村和千家万户 再通过负载把电能转换成其他形式的能量 2 实现信号的传输 处理和存贮例如 电视接收天线将含有图像和声音信息的高频电视信号通过高频传输线送到电视机中 经过选择 变频 放大和检波等处理 恢复出原来的图像和声音信息 在显像管上呈现图像并在扬声器中发出声音 任务二电路模型与电路变量 二 电路模型 1 理想电路元件理想元件 实际元件的理想化模型实际器件的应用中一般同时存在以下三种现象 1 电能的消耗现象 2 电磁能存贮现象 3 电场能量的储存实际电阻器 电阻与电感的性质实际电源 含有内阻实际电感器 电感 电阻 电容 图1 2理想电路元件 任务二电路模型与电路变量 2 电路模型是实际电路抽象而成 它近似地反映实际电路的电气特性 它由理想元件组成 如图为晶体管放大电路 a 实际电路 b 电原理图 c 电路模型 任务二电路模型与电路变量 三 电路变量 电路的特性是由电流 电压和电功率等物理量描述的 电路分析的基本任务是计算电路中的电流 电压和电功率 一 电流1 电流电荷的定向移动便形成了电流 电流的实际方向规定为正电荷的运动方向 电流的大小常用电流强度来表示 电流强度指单位时间内通过导体横截面的电荷量 电流强度常简称为电流 即 1 1 任务二电路模型与电路变量 电流分类 直流电流 交变电流 直流电流 如果电流的大小和方向不随时间而变化 则这种电流称为直流电流 简称直流 dc或DC 交变电流 量值和方向随时间作周期性变化且在一个周期内平均值为零的时变电流称为交流 ac或AC 电流的单位 在国际单位制中 电流的单位是安 培 A 电荷量的单位是库 仑 c 时间的单位是秒 s 所以1A 1C s 电力系统中常用kA作为电流单位 换算关系如下 任务二电路模型与电路变量 2 电流的参考方向为了电路分析和计算的需要 我们任意选定一段电路或一个元件中电流的方向 用带箭头的实线段表示 称为电流的参考方向 若电流实际方向与参考方向相同 电流取正值 若电流实际方向与参考方向相反 电流取负值 根据电流的参考方向以及电流量值的正负 就能确定电流的实际方向 如图1 3中所示 图1 3电流的方向 任务二电路模型与电路变量 电流的测量 电流的大小可用电流表来测量 对直流电路用直流电流表测量 测量时 应将电流表串入被测电路中 并要保证电流表从电流表的正端流入 负端流出 任务二电路模型与电路变量 二 电压电荷在电路中移动 就会有能量的交换发生 单位正电荷由电路中a点移动到b点时所获得或失去的能量 称为a b两点间的电压 在电路中任选一点为参考点 则某点到参考点的电压称为这一点 相对于参考点 的电位 电位用符号表示 如a点电位记作 当选择o点为参考点时 则 若a b两点的电位分别记作 则 1 3 即两点间的电压就是该两点的电位之差 电压也称为电位差或电位降 电压的单位为伏 特 V 任务二电路模型与电路变量 2 电压的参考方向在分析电路时 必须选定电压的参考方向或参考极性 用 号和 号分别标注在电路图的a点和b点 或用带下标的字母表示 以后若无特殊说明 电路图中的 和 标注 或都表示电压的参考极性 参考方向 规定 电压的实际方向是从高电位指向低电位 将高电位点称为正极 低电位点称为负极 规定 若计算出的电压值为正值 则电压的实际方向与参考极性相同 若计算出的电压值为负值 则电压的实际方向与参考极性相反 任务二电路模型与电路变量 关联参考方向 电压与电流的参考方向一致 任务二电路模型与电路变量 电压的测量 直流电路中 测量电压用电压表并联接入电路 注意电压表的 极接高电位或电流流入点 极接低电位点或电流流出点 任务二电路模型与电路变量 三 电功率和电能1 电功率电路中 电功率是单位时间内电场力所作的功 则 1 4 功率的单位是瓦 特 w 除瓦之外 也可用kw 千瓦 或mw 毫瓦 作单位 计算功率的公式为 根据功率的计算结果 若p 0则吸收功率 p 0则发出 产生功率 所以 从P的 或 可以区分器件的性质 或是电源 或是负载 任务二电路模型与电路变量 例题如图电路中 已知U1 1V U2 6V U3 4V U4 5V U5 10V I1 1A I2 3A I3 4A I4 1A I5 3A 试求 1 各二端元件吸收的功率 2 整个电路吸收的功率 解 各二端元件吸收的功率为 整个电路吸收的功率为 任务二电路模型与电路变量 2 电能生活中我们还需要计算一段时间内电路所消耗 或产生 的电能 在段时间内 电路消耗的电能为 国际单位制中 电能的单位是焦 耳 J 时间为秒 s 工程上 电能的单位一般用kW h表示 日常生活和生产实践常用的千瓦时表 也称电度表 就是用来测量电能消耗量的仪表 直流时 W P t UIt 1度 电 1kW h 3 6 106J 任务二电路模型与电路变量 例有一个电饭锅 额定功率为750W 每天使用2小时 一台25吋电视机 功率为150W 每天使用4小时 一台电冰箱 输入功率为120W 电冰箱的压缩机每天工作8小时 试计算每月 30天 耗电多少度 解 0 75kW 2h 0 15kW 4h 0 12kW 8h 30天 1 5度 0 6度 0 96度 30 91 8度答 每月耗电91 8度 任务三基尔霍夫定律 主要内容 一 几个有关的电路名词 二 基尔霍夫电流定律 三 基尔霍夫电压定律 四 基尔霍夫定律验证实训 任务三基尔霍夫定律 一 几个有关的电路名词1 支路电路中具有两个端钮且通过同一电流的每个分支叫做支路 2 节点电路中三条和三条以上支路的联接点叫做节点 初学者往往把图中的a点与4点看成是两个节点 这是错误的 因为a点与4点是用理想导体相联的 从电的角度来看 它们是相同的端点 可以合并成一点 电路图可以改画 只要保证各元件间的联接关系不变即可 任务三基尔霍夫定律 3 回路电路中任一闭合路径叫做回路 只有一个回路的电路称为单回路电路 4 网孔内部不含有支路的回路叫网孔 5 网络一般把含元件较多的电路称为网络 实际上 电路与网络这两个名词并无明确的区别 通常可以混用 支路 共3条 节点 a b 共2个 回路 共3个 任务三基尔霍夫定律 二 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律简称KCL 它描述电路中各电流的约束关系 KCL可表述为 对于任一集总电路中的任一节点 在任一时刻 流出 或流进 该节点的所有支路电流的代数和为零 即 例如 图1 6各支路电流的参考方向已选定并标于图中 对节点a应用基尔霍夫电流定律可写出 图1 6KCL的说明 任务三基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面 图1 7KCL的推广应用 一 任务三基尔霍夫定律 图1 8KCL的推广应用 二 应用KCL 还可以判断两个网络之间的某种电流关系 如图1 8 a 所示 任务三基尔霍夫定律 三 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律简称为KVL 它是描述回路中各段电压之间相互关系的定律 KVL可表述为 对于任一集总电路中的任一闭合回路 在任一时刻 沿回路绕行一周 回路内各段电压的代数和为零 即 用基尔霍夫电压定律列写方程时 首先需要选定回路的绕行方向 凡电压的参考方向与绕行方向相同时 该电压前面取 号 凡电压的参考方向与绕行方向相反时 该电压前面取 号 任务三基尔霍夫定律 例 图1 9为一复杂电路中的一个回路 已知各元件电压为 解根据图中所标出的回路的绕行方向和各段电压的参考方向 列出KVL方程 得 将已知数据代入 得为负值说明的实际极性与图中所假设的极性相反 图1 9 任务三基尔霍夫定律 KVL不仅适用于闭合回路 还可以推广到不闭合回路 但要将开口处的电压列入方程 如图1 10 图1 10KVL的推广应用 任务三基尔霍夫定律 KCL KVL小结 1 KCL是对支路电流的线性约束 KVL是对支路电压的线性约束 2 KCL KVL与组成支路的元件性质及参数无关 3 KCL表明在每一结点上电荷是守恒的 KVL是电压与路径无关的具体体现 4 KCL KVL只适用于集总参数的电路 由集总参数元件构成的电路称为集总参数电路 而集总参数元件就是理想元件 任务四电阻元件及其串并联 主要内容 一 电阻元件 二 电阻元件的串 并联 三 开路与短路 四 电路中各点电位的分析 任务四电阻元件及其串并联 一 电阻元件电阻元件是从实际电阻器抽象出来的模型 它是一种对电流呈现阻碍作用的耗能元件 如电阻器 灯泡 电烙铁和电炉等 1 欧姆定律欧姆定律 施加于电阻元件上的电压与通过的电流成正比 关联方向下 2 电导电阻的倒数称为电导 它是表示材料导电能力的一个参数 即 电导的单位为西 门子 S 任务四电阻元件及其串并联 3 线性电阻元件在任何时刻 两端电压与其电流的关系都服从欧姆定律的电阻元件称为线性电阻元件 电阻元件的伏安特性曲线 线性电阻元件的伏安特性曲线是过坐标原点的一条直线 图1 11线性电阻元件及其伏安特性曲线 任务四电阻元件及其串并联 4 非线性电阻元件非线性电阻元件的伏安特性曲线是一条曲线 其电压和电流不成正比 不服从欧姆定律 如图1 12为二极管的伏安特性曲线 图1 12二极管及其伏安特性曲线 任务四电阻元件及其串并联 5 电阻元件的功率 线性时不变电阻吸收的功率为 电气设备的额定值 额定电压 额定电流 额定功率 电阻的单位为欧姆 常用的单位还有k 和M 兆欧 1M 106 功率的单位是瓦特W 任务四电阻元件及其串并联 例 两个标明220V 60W的白炽灯 若分别接在380V和110V电源上 消耗的功率各是多少 假定白炽灯电阻是线性的 解 根据题意可解得两白炽灯的电阻R 806 6667 当接在380V的电源上时 消耗的功率P 179W 当接在110V的电源上时 消耗的功率P 15W 任务四电阻元件及其串并联 二 电阻元件的串 并联1 电阻的串联 n个电阻串联可等效为一个电阻 任务四电阻元件及其串并联 2 电阻的串联具有分压作用 由KVL和欧姆定律 得 上式表明 串联电阻中的任一电阻的电压等于总电压乘以该电阻对总电阻的比值 推而广之 若有n个电阻串联 。
