电工基础课件 2简单直流电路.ppt

第二章,简单直流电路,第二章简单直流电路,教学重点：1.理解电动势、端电压、电位的概念。2.掌握闭合电路的欧姆定律。3.掌握电阻串联分压关系与并联分流关系。4.了解万用表的基本构造和基本原理，掌握万用表的使用方法。5.掌握电阻的测量方法。6.学会分析计算电路中各点电位。教学难点：1.运用电阻串联分压关系与并联分流关系解决电阻电路问题、掌握扩大电压表与电流表量程的原理。2.熟练分析计算电路中各点电位。,学时分配：,第二章 简单直流电路,第一节 电动势 闭合电路的欧姆定律第二节 电池组第三节 电阻的串联第四节 电阻的并联第五节 电阻的混联第六节 万用表的基本原理第七节 电阻的测量第八节 电路中各点电位的计算本章小结,第一节电动势闭合电路的欧姆定律,电动势 闭合电路的欧姆定律 负载获得最大功率的条件,一、电动势,衡量电源的电源力大小及其方向的物理量叫做电源的电动势。,电动势通常用符号E或e(t)表示，E表示大小与方向都恒定的电动势（即直流电源的电动势），e(t)表示大小和方向随时间变化的电动势，也可简记为e。电动势的国际单位制为伏特，记做V。,电动势的大小等于电源力把单位正电荷从电源的负极，经过电源内部移到电源正极所作的功。如设W为电源中非静电力(电源力)把正电荷量q从负极经过电源内部移送到电源正极所作的功，则 电动势大小为,电动势的方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极，即与电源两端电压的方向相反。,二、闭合电路的欧姆定律,图中r表示电源的内部电阻，R表示电源外部联接的电阻(负载)。闭合电路欧姆定律的数学表达式为E RIrI 或,图2-1 简单的闭合电路,外电路两端电压U=RI=E rI=，显然，负载电阻R值越大，其两端电压U也越大；当R r时(相当于开路)，则U=E；当R r时(相当于短路)，则U=0，此时一 般情况下的电流(I=E/r)很大，电源容易烧毁。,图2-2 例题2-1,解:根据闭合电路的欧姆定律，列出联立方程组,解得：r 1，E 3V。本例题给出了一种测量直流电源电动势E 和内阻r的方法。,三、负载获得最大功率的条件,容易证明：在电源电动势E及其内阻r保持不变时，负载R获得最大功率的条件是R=r，此时负载的最大功 率值为,电源输出的最大功率是,图2-3 电源输出功率与外电路(负载)电阻的关系曲线,解:将(R1r)视为电源的内阻，则RP R1r 2.5时，RP 获得最大功率,图2-4 例题2-2,第二节电池组,电池的串联 电池的并联,一、电池的串联,如图2-5所示串联电池组，每个电池的电动势均为E、内阻均为r。,如果有n个相同的电池相串联，那么整个串联电池组的电动势与等效内阻分别为E串 nE，r串 nr,图2-5 串联电池组,串联电池组的电动势是单个电池电动势的n倍，额定电流相同。,二、电池的并联,如图2-6所示并联电池组，每个电池的电动势均为E、内阻均为r。,如果有n个相同的电池相并联，那么整个并联电池组的电动势与等效内阻分别为 E并 E，r并 r/n,图2-6 并联电池组,并联电池组的额定电流是单个电池额定电流的n倍，电动势相同。,第三节电阻的串联,电阻串联电路的特点 应用举例,一、电阻串联电路的特点,1.等效电阻:R R1 R2 Rn,2.分压关系：,设总电压为U、电流为I、总功率为P。,3.功率分配：,特例：两只电阻R1、R2串联时，等效电阻R=R1 R2,则有分压公式,二、应用举例,解:将电灯(设电阻为R1)与一只分压电R2串联后，接入U 220V电源上，如图2-8所示。,解法一：分压电阻R2上的电压为 U2=UU1=220 40=180 V，且U2=R2I，则,解法二：利用两只电阻串联的分压公式,可得,即将电灯与一只36 分压电阻串联后，接入U=220V电源上即可。,解：如图2-9所示。该电流表的电压量程为Ug=RgIg=0.1 V，与分压电阻R串联后的总电压Un=3 V，即将电压量程扩大到n=Un/Ug=30倍。利用两只电阻串联的分压公式，可得,则,上例表明，将一只量程为Ug、内阻为Rg的表头扩大到量程为Un，所需要的分压电阻为R=(n 1)Rg，其中n=(Un/Ug)称为电压扩大倍数。,图29例-,第四节电阻的并联,一、电阻并联电路的特点二、应用举例,一、电阻并联电路的特点,设总电流为I、电压为U、总功率为P。1.等效电导:G=G1 G2 Gn 即 2.分流关系：R1I1=R2I2=RnIn=RI=U3.功率分配：R1P1=R2P2=RnPn=RP=U 2特例：两只电阻R1、R2并联时，等效电阻，则有分流公式,二、应用举例,图2-11例题2-5,解:每盏电灯的电阻为R=U2/P=1210，n盏电灯并联后的等效电阻为Rn=R/n根据分压公式，可得每盏电灯的电压，功率,(2)当100盏电灯全部工作时，即n=100，则Rn=R/n=12.1，,(1)当只有10盏电灯工作时，即n=10，则Rn=R/n=121，因此,【例2-6】有一只微安表，满偏电流为Ig=100A、内阻Rg=1k，要改装成量程为In=100mA的电流表，试求所需分流电阻R。,图2-12例题2-6,解：如图2-12所示，设 n=In/Ig(称为电流量程扩大倍数)，根据分流公式可得 I n，则本题中n=In/Ig=1000，,上例表明，将一只量程为Ig、内阻为Rg的表头扩大到量程为In，所需要的分流电阻为R=Rg/(n 1)，其中n=(In/Ig)称为电流扩大倍数。,第五节电阻的混联,一、电阻混联电路分析步骤二、解题举例,在电阻电路中，既有电阻的串联关系又有电阻的并联关系，称为电阻混联。对混联电路的分析和计算大体上可分为以下几个步骤：,一、分析步骤,1.首先整理清楚电路中电阻串、并联关系，必要时重新画出串、并联关系明确的电路图；2.利用串、并联等效电阻公式计算出电路中总的等效电阻；3.利用已知条件进行计算，确定电路的总电压与总电流；4.根据电阻分压关系和分流关系，逐步推算出各支路的电流或电压。,二、解题举例,图2-13例题2-7,解:(1)R5、R6、R9三者串联后，再与R8并联，E、F两端等效电阻为REF(R5 R6 R9)R8 2424 12 REF、R3、R4三者电阻串联后，再与R7并联，C、D两端等效电阻为RCD(R3 REF R4)R7 2424 12 总的等效电阻 RAB R1 RCD R2 28 总电流 I U/RAB 224/28 8A,(2)利用分压关系求各部分电压：UCD=RCD I=96V，,图2-14 例题 2-8的等效电路,解:首先整理清楚电路中电阻串、并联关系，并画出等效电路，如图2-15所示。四只电阻并联的等效电阻为Re R/4 2.5 根据全电路欧姆定律，电路中的总电流为,图2-15 例题2-8的等效电路,第六节 万用电表的基本原理,一、万用表的基本功能二、万用表的基本原理三、万用表的使用,一、万用表的基本功能,万用电表又叫做复用电表，通常称为万用表。它是一种可以测量多种电量的多量程便携式仪表，由于它具有测量的种类多，量程范围宽，价格低以及使用和携带方便等优点，因此广泛应用于电气维修和测试中。,一般的万用表可以测量直流电压、直流电流、电阻、交流电压等，有的万用表还可以测量音频电平、交流电流、电容、电感以及晶体管的值等。,万用表的基本原理是建立在欧姆定律和电阻串联分压、并联分流等规律基础之上的。,二、万用表的基本原理,万用表的表头是进行各种测量的公用部分。表头内部有一个可动的线圈（叫做动圈），它的电阻Rg称为表头的内阻。动圈处于永久磁铁的磁场中，当动圈通有电流之后会受到磁场力的作用而发生偏转。固定在动圈上的指针随着动圈一起偏转的角度，与动圈中的电流成正比。当指针指示到表盘刻度的满标度时，动圈中所通过的电流称为满偏电流Ig。Rg与Ig是表头的两个主要参数。,将表头串联一只分压电阻R，即构成一个简单的直流电压表，如图2-16所示。,1.直流电压的测量,图2-16 简单的直流电压表,测量时将电压表并联在被测电压Ux的两端，通过表头的电流与被测电压Ux成正比,在万用表中，用转换开关分别将不同数值的分压电阻与表头串联，即可得到几个不同 的电压量程。,图2-17 例题2-9,解:利用电压表扩大量程公式R(n1)Rg，其中n(Un/Ug)，Ug RgIg 0.15V。(1)求R1：n1(U1/Ug)16.67，R1(n 1)Rg 47 k(2)求R2：把Rg2 Rg R1 50 k视为表头内阻，n2(U2/U1)4，则 R2(n 1)Rg2 150 k(3)求R3：把Rg3 Rg R1R2 200 k视为表头内阻，n3(U3/U2)5，则 R3(n 1)Rg3 800 k,(4)求R4：把Rg4 Rg R1 R2 R3 1000 k视为表头内阻，n4(U4/U3)5，则 R4(n 1)Rg4 4000 k 4M(5)求R5：把Rg5 Rg R1R2 R3 R4 5M视为表头内阻，n5(U5/U4)2，则 R4(n 1)Rg5 5M,2.直流电流的测量,将表头并联一只分流电阻R，即构成一个最简单的直流电流表，如图2-18所示。设被测电流为Ix，则通过表头的电流与被测电流Ix成正比，即,分流电阻R由电流表的量程IL和表头参数确定,图2-18简单的直流电流表,实际万用表是利用转换开关将电流表制成多量程的，如图2-19所示。,图2-19 多量程的直流电流表,万用表测量电阻(即欧姆表)的电路如图2-20所示。,3.电阻的测量,图2-20 欧姆表原理,万用表电阻档的零点在表头的满度位置上。而电阻无穷大时(即红、黑表笔间开路)指针在表头的零度位置上。当红、黑表笔间接被测电阻Rx时，通过表头的电流为,可变电阻R叫做调零电阻，当红、黑表笔相接时(相当于被测电阻Rx 0)，调节R的阻值使指针指到表头的满刻度，即,可见表头读数I与被测电阻Rx是一一对应的，并且成反比关系，因此欧姆表刻度不是线性的。,万用表有红与黑两只表笔（测棒），表笔可插入万用表的“、”两个插孔里，注意一定要严格将红表笔插入“”极性孔里，黑表笔插入“”极性孔里。测量直流电流、电压等物理量时，必须注意正负极性。根据测量对象，将转换开关旋至所需位置，在被测量大小不详时，应先选用量程较大的高档试测，如不合适再逐步改用较低的档位，以表头指针移动到满刻度的三分之二位置附近为宜。,1.正确使用转换开关和表笔插孔,三、万用表的使用,2.正确读数 万用表有数条供测量不同物理量的标尺，读数前一定要根据被测量的种类、性质和所用量程认清所对应的读数标尺。,3.正确测量电阻值 在使用万用表的欧姆档测量电阻之前，应首先把红、黑表笔短接，调节指针到欧姆标尺的零位上，并要正确选择电阻倍率档。测量某电阻Rx时，一定要使被测电阻不与其它电路有任何接触，也不要用手接触表笔的导电部分，以免影响测量结果。当利用欧姆表内部电池作为测试电源时（例如判断二极管或三极管的管脚），要注意到黑表笔接的是电源正极，红表笔接的是电源负极。,4.测量高电压时的注意事项 在测量高电压时务必要注意人身安全，应先将黑表笔固定接在被测电路的地电位上，然后再用红表笔去接触被测点处，操作者一定要站在绝缘良好的地方，并且应用单手操作，以防触电。在测量较高电压或较大电流时，不能在测量时带电转动转换开关旋钮改变量程或档位。,5.万用表的维护 万用表应水平放置使用，要防止受震动、受潮热，使用前首先看指针是否指在机械零位上，如果不在，应调至零位。每次测量完毕，要将转换开关置于空档或最高电压档上。在测量电阻时，如果将两只表笔短接后指针仍调整不到欧姆标尺的零位，则说明应更换万用表内部的电池；长期不用万用表时，应将电池取出，以防止电池受腐蚀而影响表内其它元件。,第七节电阻的测量,电阻的测量方法 伏安法测电阻 惠斯通电桥,一、电阻的测量方法,电阻的测量在电工测量技术中占有十分重要的地位，工程中所测量的电阻值，一般是在106 1012 的范围内。为减小测量误差，选用适当的测量电阻方法，通常是将电阻按其阻值的大小分成三类，即小电阻(1 以下)、中等电阻(1 0.1M）和大电阻（0.1M 以上）。测量电阻的方法很多，常用的方法分类如下：,1.按获取测量结果方式分类,(1)直接测阻法采用直读式仪表测量电阻，仪表的标尺是以电阻的单位（、k 或M）刻度的，根据仪表指针在标尺上的指示位置，可以直接读取测量结果。例如用万用表的档或M表等测量电阻，就是直接测阻法。,(2)比较测阻法采用比较仪器将被测电阻与标准电阻器进行比较，在比较仪器中接有检流计，当检流计指零时，可以根据已知的标准电阻值，获取被测电阻的阻值。,(3)间接测阻法通过测量与电阻有关的电量，然后根据相关公式计算，求出被测电阻的阻值。例如得到广泛应用的、最简单的间接测阻法是电流、电压表法测量电阻（即伏安法）。它是用电流表测出通过被测电阻中的电流、用电压表测出被测电阻两端的电压，然后根据欧姆定律即可计算出被测电阻的阻值。,2.按被测电阻的阻值的大小分类,(1)小电阻的测量是指测量1以下的电阻。测量小电阻时，一般是选用毫欧表。要求测量精度比较高时，则可选用双臂电桥法测量。,(2)中等电阻的测量是指测量阻值在1 0.1M 之间的电阻。对中等电阻测量的最为方便的方法是用欧姆表进行测量，它可以直接读数，但这种方法的测量误差较大。中等电阻的测量也可以选用伏、安表测阻法，它能测出工作状态下的电阻值。其测量误差比较大。若需精密测量可选用单臂电桥法。,(3)大电阻的测量是指测量阻值在0.1M 以上的电阻。在测量大电阻时可选用兆欧表法，可以直接读数，但测量误差也较大。,二、伏安法测电阻,图2-21(a)是电流表外接的伏安法，这种测量方法的特点是电流表读数I包含被测电阻R中的电流I与电压表中的电流IV，所以电压表读数U与电流表读数I的比值应是被测电阻R与电压表内阻RV并联后的等效电阻，即(R/RV)U/I，所以被测电阻值为,如果不知道电压表内阻RV的准确值，令，则该种测量方法适用于R RV情况，即适用于测量阻值较小的电阻。,图2-21伏安法测电阻,图2-21(b)是电流表内接的伏安法，这种测量方法的特点是电压表读数U包含被测电阻R端电压U与电流表端电压UA，所以电压表读数U与电流表读数I的比值应是被测电阻R与电流表内阻RA之和，即R RA=U/I，所以被测电阻值为,如果不知道电流表内阻的准确值，令，则该种测量方法适用于R RA的情况，即适用于测量阻值较大的电阻。,图2-21伏安法测电阻,三、惠斯通电桥,惠斯通电桥法可以比较准确的测量电阻，其原理如图2-22所示。,图2-22 惠斯通电桥法测量电阻,R1、R2、R3、为可调电阻，并且是阻值已知的标准精密电阻。R4为被测电阻，当检流计的指针指示到零位置时，称为电桥平衡。此时，B、D两点为等电位，被测电阻为,惠斯通电桥有多种形式，常见的是一种滑线式电桥。,动画M2-2 惠斯通电桥,被测电阻为。,第八节电路中各点电位的计算,一、电位参考点(即零电位点)二、电位的定义,一、电位参考点(即零电位点),在电路中选定某一点A为电位参考点，就是规定该点的电位为零,即UA 0。电位参考点的选择方法是：,(1)在工程中常选大地作为电位参考点；(2)在电子线路中,常选一条特定的公共线或机壳作为电位参考点。,在电路中通常用符号“”标出电位参考点。,二、电位的定义,电路中某一点M的电位UM就是该点到电位参考点A的电压，也即M、A两点间的电位差，即 UM UMA,计算电路中某点电位的方法是：(1)确认电位参考点的位置；(2)确定电路中的电流方向和各元件两端电压的正负极性；(3)从被求点开始通过一定的路径绕到电位参考点，则该点的电位等于此路径上所有电压降的代数和：电阻元件电压降写成 RI形式，当电流I的参考方向与路径绕行方向一致时，选取“”号；反之，则选取“”号。电源电动势写成 E形式，当电动势的方向与路径绕行方向一致时，选取“”号；反之，则选取“”号。,图2-23 例题2-10,解:利用电路中A点为电位参考点（零电位点），电 流方向为顺时针方向：,B点电位：UB=UBA=R1I=15V C点电位：UC=UCA=E1 R1I=45 15=30 V D点电位：UD=UDA=E2 R2I=12 12=24 V,必须注意的是，电路中两点间的电位差(即电压)是绝对的，不随电位参考点的不同发生变化，即电压值与电位参考点无关；而电路中某一点的电位则是相对电位参考点而言的，电位参考点不同，该点电位值也将不同。,例如，在上例题中，假如以E点为电位参考点，则 B点的电位变为UB=UBE=R1I R2I=27 V；C点的电位变为UC=UCE=R3I E2=18 V；D点的电位变为UD=UDE=E2=12 V。,本章小结,一、闭合电路的欧姆定律 二、电池组 三、电阻的串联 四、电阻的并联 五、万用表 六、电阻的测量 七、电路中点电位的计算,二、电池组 n个相同的电池相串联，那么整个串联电池组的电动势E串=nE，等效内阻r串=nr。n个相同的电池相并联，那么整个并联电池组的电动势E并=E，等效内阻r并=r/n。,五、万用表 万用表的基本原理是建立在欧姆定律和电阻串联分压、并联分流等规律基础之上的。一般的万用表可以测量直流电压、直流电流、电阻、交流电压等。,六、电阻的测量 1.直接测阻法采用直读式仪表测量电阻，仪表的标尺是以电阻的单位（、k或M）刻度的，可以直接读取测量结果。例如用万用表的档测量电阻，就是直接测阻法。2.比较测阻法采用比较仪器将被测电阻与标准电阻器进行比较，在比较仪器中接有检流计，当检流计指零时，可以根据已知的标准电阻值，获取被测电阻的阻值。,3.间接测阻法通过测量与电阻有关的电量，然后根据相关公式计算，求出被测电阻的阻值。例如得到广泛应用的、最简单的间接测阻法是伏安法。它是用电流表测出通过被测电阻中的电流、用电压表测出被测电阻两端的电压，然后根据欧姆定律即可计算出被测电阻的阻值。,惠斯通电桥法可以比较准确的测量电阻，电桥平衡时，被测电阻为。惠斯通电桥有多种形式，常见的是一种滑线式电桥，被测电阻为。,在电路中选定某一点A为电位参考点，就是规定该点的电位为零,即UA 0。电路中某一点M的电位UM就是该点到电位参考点A的电压，也即M、A两点间的电位差，即UM UMA。,七、电路中各点电位的计算,