第1篇电工基础与电气测量篇.ppt

1、电工基础,第一章 基础知识 第二章 直流电路第三章 正弦交流电路第四章 三相电路第五章 磁路与变压器,上一页,下一页,返 回,第2章 直流电路,2.1 电路的基本物理量2.2 欧姆定律2.3 电流与电压测量2.4 电路工作状态2.5 电路元件特性方程2.6 基尔霍夫定律2.7 电路中电位的计算2.8 电路中功率的平衡,上一页,下一页,返 回,图2.1 电路示意图,(a)手电筒电路 (b) 扩音机,上一页,下一页,返 回,实例引入：手电筒电路,图2.2 手电筒的电路模型,上一页,下一页,返 回,电路是电流的通路，它的基本作用：（1）能量的传输和转换；（2）信号的传递和处理。电路主要由四要素：电源

2、、负载、控制元件、回路,上一页,下一页,返 回,2.1 电路的基本物理量,2.1.1 电流,图2.3 导体中的电流 图2.4 电流的正方向,上一页,下一页,返 回,电流：由电荷（带电粒子）有规则的定向运动而形成的交流：直流： 实际方向：正电荷运动的方向参考方向、正方向：任意选定某一方向电流的实际方向与其正方向一致时，则电流为正值；电流的实际方向与其正方向相反时，则电流为负值,上一页,下一页,返 回,2.1.2 电压和电位,电压：绝对值，不随参考点的改变而改变；电位：相对值，随参考点的改变而变化,图2.5 电压示意图,上一页,下一页,返 回,电压,电压：电场力将单位正电荷沿外电路中的一点推向另一

3、点所作的功实际方向：规定从高电位(“”)指向低电位(“”)电压的实际方向与其正方向一致时，则电压为正值；电压的实际方向与其正方向相反时，则电压为负值。,上一页,下一页,返 回,2.电位,电路中某点的电位实质是这一点与参考点之间的电压，或者说，电路某两点的电压等于这两点之间的电位差。UABVA-VB,上一页,下一页,返 回,例2-1 在图2.6所示的电路中，已知U1=3V，U2=-2V，求U=？,图2.6 例2-1的电路图,上一页,下一页,返 回,解：因为 UAB+UBC=(VA-VB)+(VB-VC)=VA-VC=UAC 所以 U=UAC=UAB+UBC=U1-U2=3-(-2)=5V,上一页

4、,下一页,返 回,2.1.3 电动势,图2.7 手电筒电路原理图,上一页,下一页,返 回,电动势:电源力将单位正电荷从电源的负极移到正极所作的功。符号E，单位VE= W/q 电动势的方向：规定为电源力推动正电荷运动的方向，即从负极指向正极的方向，也就是电位升高的方向形成持续的电流必须有两个条件：一是要有电源，二是要有一条能够使电荷移动的闭合路径。,上一页,下一页,返 回,例2-2 在图2.9所示的电路中，求E=？,图2.9 例2-2的图,上一页,下一页,返 回,解：因为UAB=U1-U2=E-U2 所以E=UAB+U2,上一页,下一页,返 回,实训三：元器件识别及线性电阻伏安特性测试,一、实训

5、目的1.掌握电阻、电容、电感的识别方法。2.掌握直流稳压电源使用方法。3.掌握磁电式安培计、伏特计使用方法并正确读数。4.掌握万用表使用方法及注意事项。5.掌握电流、电压测量方法。6.掌握线性电阻伏安特性测试方法。,上一页,下一页,返 回,二、原理说明,电阻器电阻器：对通过它的电流呈现一定的阻碍作用，具有消耗能量的性质用途：是稳定和调节电路中的电流和电压，其次还有限制电路电流、降低电压、分配电压等功能分类： 按电阻材料和结构特征可分为线绕、膜式（碳膜和金属膜）、实芯和敏感电阻；按用途可分为通用、精密、高压、高阻电阻器。主要技术参数：标称阻值、阻值误差、额定功率、额定电压：识别方法：数值法和色码

6、标示法,上一页,下一页,返 回,图2.10 通用电阻色码标示法,上一页,下一页,返 回,表2-1 通用电阻色码与数字的对应表,例如：某一电阻色标为“棕黑橙金”，则其标称值为10k，误差为5%。,上一页,下一页,返 回,2.电容器,电容器：是由两个金属电极中间夹一层绝缘体（又称电介质）所构成，可以储存电场能量用途：具有“隔直通交”的特点，常用于滤波、旁路、信号调谐等方面主要技术参数：电容量、允许误差、额定电压识别方法：数值法和色标法,上一页,下一页,返 回,例：某一瓷介电容上标有104，其标称电容量为10104pF，即0.1F有极性的电解电容器上标有负号的一端（一般为短脚）是负极，另一端是正极。

7、在直流电路中，电解电容器正负极不能接反，否则会爆炸。,上一页,下一页,返 回,3.电感器,镇流器、电机、变压器的线圈都是电感线圈，可以储存磁场能量。用途：LC滤波器，调谐放大电路或谐振均衡，去耦电路分类：按结构特点可分为单层、多层、蜂房、带磁芯及可变电感线圈。主要技术参数：电感量L和品质因数Q。电感量是指电感器通入电流后储存磁场能量的大小，其单位是H、mH和H。1H=103mH， 1mH=103H。,上一页,下一页,返 回,三、操作步骤,（一）常用元器件识别1.用色码标示法识别电阻器标称阻值，并用万用表测出其实际值，计算误差大小。2.识别电解电容、瓷介电容标称电容量。3.识别色码电感的电感量。

8、,上一页,下一页,返 回,（二）线性电阻伏安特性测试,1.按图2.11接线，以定值电阻R=1k（1W）为被测线性电阻。2.调节直流稳压电源，使输出为1V、5V、9V、13V、17V、21V、25V，分别测出电路中电流大小，记录在表2-2中。,图2.11 线性电阻伏安特性测试电路图,上一页,下一页,返 回,表2-2 线性电阻伏安特性测试记录表,3.根据表2-2中的实验数据，作出线性电阻元件R的伏安特性曲线。,上一页,下一页,返 回,四、分析思考,安培计和伏特计应怎样接在电路中？若安培计并联在被测负载两端，会出现什么现象？为什么？,上一页,下一页,返 回,2.2 欧姆定律,欧姆定律：流过电阻的电流

9、与电阻两端的电压成正比当电压和电流的正方向一致时：U=IR （2-6） 当电压和电流的正方向相反时：U=-IR （2-7）,上一页,下一页,返 回,例2-3 已知R=3 ，应用欧姆定律对图2.12的电路列出式子，并求电流I。,图2.12 例2-3的图,上一页,下一页,返 回,解：在图2.12(a)中： 在图2.12(b)中： 在图2.12(c)中： 在图2.12(d)中：,上一页,下一页,返 回,例2-4 计算图2.13中的电阻R值，已知Uab=-12V。,图2.13 例2-4的电路,上一页,下一页,返 回,解：Uab=Uan+Unm+Umb =-E1+Unm+E2 Unm=Uab+E1-E2

10、 =-12+5-3=-10V R=Unm/I=-10/-2=5,上一页,下一页,返 回,图2.14 线性电阻的伏安特性曲线 图2.15 白炽灯丝的的伏安特性曲线,上一页,下一页,返 回,图2.16 半导体二极管伏安特性曲线 图2.17 非线性电阻的符号,上一页,下一页,返 回,2.3 电流与电压测量,2.3.1 电阻串并联1.电阻的串联,（a）串联电阻 （b）等效电阻图2.18 电阻的串联,上一页,下一页,返 回,等效电阻R等于各个串联电阻之和，即：R=R1+R2+R3+两个串联电阻上的电压分别为： （2-9） （2-10）,上一页,下一页,返 回,2.电阻的并联,（a）并联电阻 （b）等效电

11、阻图2.19 电阻的并联,上一页,下一页,返 回,等效电阻R为：由式（2-11）得图2.19的并联等效电阻R为：两个并联电阻上的电流分别为：,上一页,下一页,返 回,负载增加（例如并联的负载数目增加）时，负载所取用的总电流和总功率都增加，即电源输出的功率和电流都相应增加。就是说，电源输出的功率和电流决定于负载的大小。,上一页,下一页,返 回,2.3.2 电流的测量,测量直流电流通常都用磁电式安培计，测量交流电流主要采用电磁式安培计,（a）安培计的接法 （b）分流器的接法图2.20 安培计和分流器,上一页,下一页,返 回,（2-14） 即 （2-15）,上一页,下一页,返 回,例2-5 有一磁电

12、式安培计，当使用分流器时，表头的满标值电流为5mA。表头电阻为20。今欲使其量程（满标值）为1A，问分流的电阻应为多大？解：,上一页,下一页,返 回,2.3.3 电压的测量,测量直流电压常用磁电式伏特计，测量交流电压常用电磁式伏特计。,（a）伏特计的接法 （b）分压器的接法图2.21 伏特计和分压器,上一页,下一页,返 回,由图2.21(b)可得： （2-16）即 （2-17）,上一页,下一页,返 回,例2-6 有一伏特计，其量程为50V，内阻为2000。今欲使其量程扩大到360V，问还需串联多大电阻的分压器？解：,上一页,下一页,返 回,2.4 电路工作状态,图2.22 直流电路,上一页,下

13、一页,返 回,2.4.1 有载工作状态,U=E-IR0,图2.23 电源的外特性曲线,上一页,下一页,返 回,2.4.2 开路,电路开路时的特征可用下列各式表示： I=0 U=U0=E,图2.24 电路开路的示意图,上一页,下一页,返 回,2.4.3 短路,电源短路时的特征可用下列各式表示： U=0 I=IS=E/R0,图2.25 电路短路的示意图,上一页,下一页,返 回,例2-7 图2.26所示的电路可用来测量电源的电动势E和内阻R0。图中，R1=2.6，R2=5.5。当开关S1闭合、S2断开时，安培计读数为2A；当开关 S1断开、S2闭合时，安培计读数为1A。试求E和R。,上一页,下一页,

14、返 回,图2.26 例2-7的电路,上一页,下一页,返 回,解： E=I1(R1+R0) E=I2(R2+R0)联立以上两式可得：所以： E=2(2.6+0.3)=5.8V,上一页,下一页,返 回,2.5 电路元件特性方程,直流电路中， U=IR 交流电路中， u=iR,图2.27 电阻负载电路,上一页,下一页,返 回,2.5.2 电容元件特性方程,图2.28中电容元件的元件特性方程为：,图2.28 电容负载电路,上一页,下一页,返 回,2.5.3 电感元件特性方程,图2.29中电感的元件特性方程为：,图2.29 电感负载电路,上一页,下一页,返 回,实训四：基尔霍夫定律的验证,一、实训目的1

15、.掌握万用表测量电流、电压方法。2.掌握基尔霍夫定律。二、原理说明,上一页,下一页,返 回,图2.30 实训电路原理图,上一页,下一页,返 回,三、操作步骤,1.调节稳压电源，使其输出电压为9V，关断电源待用。2.按图2.30实训电路原理图接线。3.经教师检查后接通电源，用万用表测电压及各支路电流，并将结果填入表2-3中。,表2-3 实训电路测量结果记录表,上一页,下一页,返 回,四、分析思考,1.分析实训电路中各段电压的关系。2.分析实训电路中各电流的关系。,上一页,下一页,返 回,2.6 基尔霍夫定律,图2.31 多回路直流电路,上一页,下一页,返 回,图2.31中有三条支路：ab、acb

16、和adb；两个节点：a和b；三个回路：adbca、abca和abda。1.支路(Branch)无分支的一段电路。支路中各处电流相等，称为支路电流。2.节点(Node)三条或三条以上支路的联接点。3.回路(Loop)由一条或多条支路所组成的闭合电路。,上一页,下一页,返 回,2.6.1 基尔霍夫电流定律（KCL）,在图2.31所示的电路中，对节点a可以写出： I1+I2=I3或将上式改写成： I1+I2-I3=0即 I=0,上一页,下一页,返 回,例2-8 图2.32所示的闭合面包围的是一个三角形电路，它有三个节点。求流入闭合面的电流IA、IB、IC之和是多少？,图2.32 基尔霍夫电流定律应用

17、于闭合面,上一页,下一页,返 回,解：应用基尔霍夫电流定律可列出 IA=IAB-ICA IB=IBC-IAB IC=ICA-IBC上列三式相加可得 IA+IB+IC=0或 I=0 可见，在任一瞬时，通过任一闭合面的电流的代数和也恒等于零。,上一页,下一页,返 回,例2-9 一个晶体三极管有三个电极，各极电流的方向如图2.33所示。各极电流关系如何？,图2.33 晶体管电流流向图,上一页,下一页,返 回,解：晶体管可看成一个闭合面，则：IE=IB+IC,上一页,下一页,返 回,例2-10 两个电气系统若用两根导线联接，如图2.34 (a)所示，电流I1和I2的关系如何？若用一根导线联接，如图2.

18、34 (b)所示，电流I是否为零？,图2.34 两个电气系统联接图,上一页,下一页,返 回,解：将A电气系统视为一个广义节点，对图2.34(a)：I1=I2 ，对图2.34(b)：I=0。,上一页,下一页,返 回,2.6.2 基尔霍夫电压定律（KVL）,基尔霍夫电压定律是用来确定构成回路中的各段电压间关系的。对于图2.35所示的电路，如果从回路adbca中任意一点出发，以顺时针方向或逆时针方向沿回路循行一周，则在这个方向上的电位升之和应该等于电位降之和，回到原来的出发点时，该点的电位是不会发生变化的。此即电路中任意一点的瞬时电位具有单值性的结果。,上一页,下一页,返 回,图2.35 回路,上一

19、页,下一页,返 回,以图2.35所示的回路adbca（即为图2.31所示电路的一个回路）为例，图中电源电动势、电流和各段电压的正方向均已标出。按照虚线所示方向循行一周，根据电压的正方向可列出： U1+U4=U2+U3或将上式改写为： U1-U2-U3+U4=0即 U=0 （2-25）,上一页,下一页,返 回,就是在任一瞬时，沿任一回路循行方向（顺时针方向或逆时针方向），回路中各段电压的代数和恒等于零。如果规定电位升取正号，则电位降就取负号。,上一页,下一页,返 回,图2.35所示的adbca回路是由电源电动势和电阻构成的，上式可改写为： E1-E2-I1R1+I2R2=0或 E1-E2=I1R

20、1-I2R2即 E=(IR),上一页,下一页,返 回,图2.36 基尔霍夫电压定律的推广应用,上一页,下一页,返 回,对图2.36(a)所示电路（各支路的元件是任意的）可列出 U=UAB-UA+UB=0或 UAB=UA-UB （2-27）对图2.36(b)的电路可列出 U=E-IR0 （2-28） 列电路的电压与电流关系方程时，不论是应用基尔霍夫定律或欧姆定律，首先都要在电路图上标出电流、电压或电动势的正方向。,上一页,下一页,返 回,例2-11 在图2.37所示电路中，已知U1=10V，E1=4V，E2=2V，R1=4， R2=2，R3=5，1、2两点间处于开路状态，试计算开路电压U2。,上

21、一页,下一页,返 回,图2.37 例2-11的电路图,上一页,下一页,返 回,解：对左回路应用基尔霍夫电压定律列出： E1=I(R1+R2)+U1得 再对右回路列出： E1-E2=IR1+U2得 U2=E1-E2-IR1=4-2-(-1)4=6V,上一页,下一页,返 回,2.7 电路中电位的计算,例2-12 在图2.38所示的电路中，已知C点接地,R1=R2=R3=1，E1=E2=2V，I1=-1A，I3=3A，求VA、VB的值。,图2.38 例2-12的电路图,上一页,下一页,返 回,解：I2=I3-I1=3-（-1）=4A VA=-I2R2+E1+I1R1=-41+2+(-1)1=-3V

22、VB=-E2+I3R3+E1+I1R1=-2+31+2+(-1)1=2V,上一页,下一页,返 回,2.8 电路中的功率平衡,1电做的功（简称电功）W=qU=UIt2电功率 P=W/t=UIt/t=UI P=U2/R=I2R3电流热效应Q=I2Rt4额定值：在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值,上一页,下一页,返 回,例2-13 有一220V、60W的电灯，接在220V的直流电源上，试求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时的电阻。如果每晚用3h(小时)，问一个月消耗电能多少？,上一页,下一页,返 回,解： I=P/U=60/220=0.273A R=U/I=220/0.273=80

23、6电阻也可用下式计算： R=P/I2或R=U2/P。一个月消耗的电能也就是所做的功为： W=Pt=60330=0.0690=5.4kWh可见，功的单位是kWh，俗称“度”。常用的电度表就是测量电能的仪表。,上一页,下一页,返 回,例2-14 有一额定值为5W、500的线绕电阻，其额定电流为多少？在使用时电压不得超过多大的数值解：根据功率和电阻可以求出额定电流，即在使用时电压不得超过U=IR=0.1500=50V,上一页,下一页,返 回,因此，在选用电阻时不能只提出电阻值的大小，还要考虑电流有多大，而后提出功率。 现在我们来讨论电路中的功率平衡问题。式（2-28）中各项乘以电流I，则得功率平衡式

24、为： UI=EI-I2R0 P=PE-P 或 PE = P +P式中，PE=EI，是电源产生的功率； P=I2R0，是电源内阻上损耗的功率； P=UI，是电源输出的功率。 由此可知，电源产生的功率等于负载消耗的功率与内阻损耗的功率之和，即电路中的功率是平衡的。,上一页,下一页,返 回,例2-15 在图2.39所示的电路中，U=220V，I=5A，内阻R01=R02=0.6。（1）试求电源的电动势E1和负载的反电动势E2；（2）试说明功率的平衡。,图2.39 例2-15的电路图,上一页,下一页,返 回,解：（1）电源 U=E1-U1=E1-IR01 E1=U+IR01=220+50.6=223V

25、 负载 U=E2+U2=E2+IR02 E2=U-IR02=220-50.6=217V （2）由（1）中的两式可得 E1=E2+IR01+IR02 等号两边同乘以I，则得 E1I=E2I+I2R01+I2R02 2235=2175+520.6+520.6 1115W=1085W+15W+15W,上一页,下一页,返 回,其中，有E1I=1115W，是电源E1输出的功率，即在单位时间内由机械能或其他形式的能量转换成的电能的值； E2I=1085W，是负载吸收的功率，即在单位时间内由电能转换成的机械能（负载是电动机）或化学能（负载是充电时的蓄电池）的值； I2R01=15W，是电源内阻上损耗的功率；

26、 I2R02=15W，是负载内阻上损耗的功率。,上一页,下一页,返 回,判断某一电路元件是电源还是负载呢？（1）根据电压和电流的实际方向可确定某一电路元件是电源还是负载电源：U和I的实际方向相反，电流从“+”端流出，输出功率；负载：U和I的实际方向相同，电流从“+”端流入，吸收功率。（2）根据电压和电流的正方向确定电源：当U和I的正方向一致时，P=UI0；负载：当U和I的正方向一致时，P=UI0。,上一页,下一页,返 回,例2-16 图2.40中流过元件X的电流I=-1A，加在元件X两端的电压U=2V，该元件是电源还是负载？解：方法（1）：由于U与I的实际方向相反，元件X是电源，输出功率。 方法（2）：由于U与I的正方向相同，P=UI=-2W0，元件X是电源。,上一页,下一页,返 回,图2.40 例2-16的电路图,上一页,下一页,返 回,