《电工电子技术简明教程》 课件 3 直流电路的认识与测量

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项目2直流电路的认识与测量知识目标1、了解电路的组成和各部分电路的作用。2、知道电路的三种工作状态和意义。3、掌握电流、电压和功率的概念。技能目标1、会计算电阻的串联与并联。2、会计算直流电路中的电位。3、会用基尔霍夫定律分析计算电路。4、会使用电工测量仪器测量电路。知识链接一、电路中的基本物理量1．电流电荷的定向运动形成电流，电流在电路中的流动而产生了电能和其他形式能量之间的转换。电路中没有电流，就没有能量转换的发生。它是电路分析中的一个基本变量。（1）电流的大小电流的大小称为电流强度，用符号I或i表示，定义为单位时间内通过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，用大写字母I来表示，即电流强度简称电流，所以“电流”一词不仅表示电荷定向运动的物理现象，而且也代表电流强度这样一个物理量。（3-1）国际单位制中电流的单位是安培（Ａ），简称安。电力系统中，有时取千安（kA）为电流的单位；而电子系统中常用毫安（mA）、微安（µA）作电流的单位。其换算关系为

1

kA=103

A1

A=103

mA=106

µA（2）电流的方向人们规定：正电荷运动的方向为电流的方向。在简单电路中，人们很容易判断出电流的实际方向，但是对于比较复杂的电路，电流的实际方向就很难直观判断了。另外，在交流电路中，电流是随时间变化的，在图上也无法表示其实际方向。为了解决这一问题，需引入电流的参考方向这一概念。参考方向，也称正方向，是假定的方向。电流的参考方向可以任意选定，在电路中一般用实线箭头表示。然而，所选取的电流参考方向不一定就是电流的实际方向。当电流的参考方向与实际方向一致时，电流为正值（i

>0）；当电流的参考方向与实际方向相反时，电流为负值（i<0）。这样，在选定的参考方向下，根据电流的正负，就可以确定电流的实际方向，如图3-1所示。图3-1电流的实际方向与参考方向所以在对电路进行分析时，首先要假定电流的参考方向，并用箭头在图中标出，然后进行分析计算，最后再从结果的正负值与图中标出的参考方向来确定电流的实际方向。如果图中没有标出参考方向，那么计算结果的正负是无意义的。2．电压（1）电压的大小在电路中，电场力做功使电荷做定向移动。为了衡量电场力做功的能力，引入了电压这一物理量。定义：电场力把单位正电荷从a点移动到b点所做的功称为a、b两点间的电压，用字母uab表示，即在式（3-2）中，dw表示电场力将电荷量为dq的正电荷从a点移动到b点所做的功，单位为焦耳（J），简称焦。在国际单位制中，电压的单位是伏特，用大写字母V表示，简称伏，常用的电压单位还有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（μV）。各单位之间的换算关系为1kV=103

V1mV=10-3

V1

μV=10-6

V

（3-2）（2）电压的方向

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，也需要引入电压的参考方向，当电压的实际方向与参考方向一致时，该电压为正值；当电压的实际方向与参考方向相反时，该电压为负值。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3-2所示。电压的参考方向通常用箭头来表示，箭头方向为假定电压降的方向，也可以用“+”表示假定的高电位端，用“-”表示假定的低电位端，还可以用带双下标的字母来表示，例如，Uab表示电压的参考方向是由a指向b。（3）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E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3-3所示。图3-2电压的实际方向与参考方向图3-3电动势与电压的方向（4）关联参考方向虽然电压与电流的参考方向可以任意选定，但为了计算方便，常选择某段电路中的电流方向与电压的参考方向一致，称为关联参考方向，如图3-4（a）所示。当电压与电流的参考方向不一致时，称为非关联参考方向，如图3-4（b）所示。3．电功率

正电荷从高电位移动到低电位，电场力做正功，电路吸收电能；正电荷从低电位移动到高电位，外力克服电场力做功，电路将其他形式的能量转化为电能，电路发出电能。在单位时间内，电路吸收或发出的电能定义为该电路的电功率，简称功率，用字母P或p表示。当电压与电流为关联参考方向时，功率的计算公式为图3-4电压与电流的关联参考方向与非关联参考方向（3-3a）当电压和电流为非关联参考方向，功率的计算公式为式中：u为此元件或这一部分电路的端电压；i为流经此元件或电路的电流。以上两个公式中，若p>0，则电路或元件吸收（或消耗）功率；若p<0，则表示此电路或元件发出（或产生）功率。功率单位是瓦特（W），简称瓦。除了W之外，还有kW（千瓦）、mW（毫瓦）。它们的关系为1

kW=103W=106mW【例3-1】（1）在图3-5（a）、（b）中，电流均为3A，且均由a点流向b点，求这两个元件的功率，并判断它们的性质。（2）图3-5（b）中，若元件产生的功率为4W，求电流。

（3-3b）图3-5例3-1电路解：（1）设电路图3-5（a）中电流I的参考方向由a指向b，则对图（a）所示元件来说，电压、电流为关联参考方向，故此元件的功率为P

>0，则此元件吸收功率。对图3-5（b）所示元件来说，设电流I的参考方向由a指向b，则电压、电流为非关联参考方向，故此元件的功率为P

>0，则此元件吸收功率。（2）设图3-5（b）中电流I的参考方向由a指向b，因是产生功率4

W，故功率，由得负号表明电流的实际方向是由b指向a。以上我们学习了电路分析中常用的电流、电压和功率的基本概念及相应的计算公式，这些量可以取不同的时间函数，所以它们又称变量。

图3-6例3-2电路习惯上常把电流、电压参考方向设成关联，有时为了简化，一个元件上只标出电流或电压一个量的参考方向，意味着省略的那个量的参考方向与给出量的参考方向是关联的。电路中的功率与电压和电流的乘积有关，因此用来测量功率的仪表必须具有两个线圈：一个用来反映负载电压，与负载并联，称为并联线圈或电压线圈；另一个用来反映负载电流，与负载串联，称为串联线圈或电流线圈。这样，电动式仪表可以用来测量功率，通常用的就是电动式功率表。【例3-2】图3-6所示为某电路的一部分，已知U1=4

V，U2=-3

V，U3=2

V，I1=2

A，I2=4

A，I3=-2

A，求各元件吸收或产生的功率。解：元件1

元件2

元件3P3=-U3I3=（-2）X(-2)=4W

因为元件1和元件2的电压、电流为关联参考方向，用公式P=UI计算，而计算结果P1>0说明元件1吸收功率，而P2<0说明元件2产生功率，元件3的电压电流为非关联参考方向，用公式P=-UI计算，P3>0，说明元件3实际是吸收功率的。对于一个完整电路而言，它吸收的功率与产生的功率总是相等的

，即在任一时间t，任一电路中的所有元件上功率的代数和等于零，这称为功率平衡。图3-6例3-2电路4．电能根据电功率的计算式（3-3）可得dw=pdt则在t0到t的一段时间内，电路消耗的电能为电能在直流电路中的表达式为

W=Pt=UIt

（3-4）电能的单位为J（焦），常用的还有kW·h（千瓦·时），习惯上称为度。各单位之间的换算关系为

1度=1

kW·h=3.6×106

J二、电流的测量指针式万用表的基本测量机构实际上就是电流表，表头指针的偏转大小反映的就是流经仪表的电流大小。测量直流电流时，通常选用磁电式直流电流表。在使用时要注意表的极性不要接反。在测量交流电流时若测量精度要求不高，可选用电磁式电流表，若测量精度要求高时，则可选用电动式电流表。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200

mA时，将红表笔插入“200mA”孔，黑表笔插入“COM”孔；当被测电流超过200

mA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，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200

mA时，将红表笔插入“200mA”孔，黑表笔插入“COM”孔；当被测电流超过200

mA时，应将红表笔插入“10

A”孔，黑表笔插入“COM”孔。将两表笔与被测电路串联，显示器即显示被测的电流有效值。三、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”（下同），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。四、电功率的测量图3-7为功率表的接线图。固定线圈的匝数少，导线粗，与负载串联，作为电流线圈。可动线圈的匝数较多，导线较细，与负载并联，作为电压线圈。由于并联线圈串联有高阻值的倍压器，它的感抗与其电阻相比可以忽略不计，所以可以认为其中电流i2与两端电压u同相。这样功率表指针偏转角度（3-5）电动式功率表中指针的偏转角度α与电路中平均功率P成正比。功率表的电压线圈和电流线圈各有其量程。改变电压量程的方法和电压表一样，即改变倍压器的电阻值。电流线圈常常是由两个相同的线圈组成，当两个线圈并联或串联时，电流量程发生相应变化。五、电能的测量

电度表是测量电能的仪表。电度表结构由驱动元件、转动元件、制动元件、计度器组成，当驱动元件即线圈中通入电流，产生转动力矩驱动转盘转动，计度器计算转盘的转数，以达到测量电能的目的。电度表原理接线图如图3-8所示。电能的测量原理与功率测量原理相同。电能与功率和时间成正比，前面我们介绍了功率的测量。在电度表测量时，测量功率的大小与电度表转盘的转速成正比，而时间与转盘转动的转数成正比。电度表通过计算转盘转动的转数实现电能的测量图3-7功率表的接线图图3-8电度表原理接线图

A—电流线圈；B—电压线圈二、相关知识万用表应水平放置，测量前需调节表头下方的调零旋钮使指针指于零位。将红、黑表笔分别插入正、负极插孔，然后根据测量种类将转换开关拨到相应的挡位上。万用表标度盘上有数条标尺，要根据测量种类在相应的标尺上读取数据，“DC”或“—”为测量