目錄

項目1電力系統簡介與安全用電項目2直流電路的認識與測量項目3交流電路的認識與測量項目4電機的認識與控制項目5半導體電子元件的認識與應用項目6基本放大電路的分析項目7集成運放及其應用項目8集成功放及其應用項目9數字邏輯電路基礎項目10集成組合邏輯電路及其應用項目11集成觸發器與時序邏輯電路項目1電力系統簡介與安全用電1.1電力系統簡介實訓任務變電所和電工電子實訓室電氣設備的認識1.2安全用電與觸電急救實訓任務觸電事故應急處置方法的訓練練習題

知識目標

(1)了解電力系統的基本組成和功能。

(2)認識常用的電工儀表,知道各種電工儀表的用途。

(3)熟悉安全用電常識和規定。

(4)了解防止觸電的保護措施,了解觸電的現場緊急處理措施,了解電氣火災的防范及撲救常識。

技能目標

(1)會使用測電筆測量交流電,能判斷和區分火線和零線。

(2)會用萬用表測量交流電壓。

1.1電力系統簡介

1.1.1發電、輸電和配電

1.發電廠發電廠使用發電機將各種一次能源轉換成電能。按照所用能源種類的不同,發電廠可分為火力發電廠(燃燒煤或者石油)、水力發電廠(利用水的落差)、核能發電廠(利用核裂變)、風力發電廠(利用風能)、太陽能發電廠(利用太陽能)等。

1)火力發電廠

火力發電廠利用燃燒化石燃料(煤、石油、天然氣等)所得到的熱能發電。

火力發電的發電機組有兩種主要形式:一種是利用鍋爐產生高溫高壓蒸汽推動汽輪機旋轉帶動發電機發電,這種發電形式稱為汽輪發電機組;另一種是燃料進入燃氣輪機燃燒,

將熱能直接轉換為機械能,再驅動發電機發電,這種發電形式稱為燃氣輪機發電機組。

火力發電廠通常是指以汽輪發電機組為主的發電廠,在火力發電廠中做過功的蒸汽排入凝汽器冷凝成水,重新送回鍋爐。火電廠的能量效率較低,只能達到30%~40%。

火電廠的能量轉換過程如圖1－1所示。圖1－1火電廠的能量轉換過程

2)水力發電廠

水力發電廠將水的勢能和動能轉變成電能。水力發電的基本生產過程是:從河流高處或水庫內引水,利用水的壓力或流速沖動水輪機旋轉,將水能轉變成機械能,然后水輪機帶動發電機旋轉,將機械能轉變成電能。水力發電廠的容量取決于上下游的水位差和流量大小。我國的三峽水電站是世界上規模最大的水電站,也是中國有史以來建設規模最大的工程項目。

水電站的能量轉換過程如圖1－2所示。圖1－2水電站的能量轉換過程

3)核能發電廠

核能發電是利用原子反應堆中核燃料(例如鈾)裂變所放出的熱能產生的蒸汽驅動汽輪機轉動再帶動發電機旋轉而發電的。以核能發電為主的發電廠稱為核能發電廠,簡稱核電

站。我國的核電站從無到有,秦山核電站、廣東大亞灣核電站、田灣核電站、嶺澳核電站都已建成發電,目前具有世界最高技術水平的第三代核電站———三門核電站已經基本建成,而且掌握了最新的第四代核電站技術。

核電站的能量轉換過程如圖1－3所示。圖1－3核電站的能量轉換過程

4)其他能源發電廠

風力發電廠利用風力的動能來生產電能。它一般建在風力資源豐富的地方。風力發電對我國邊遠地區的電力發展具有不可替代的重要意義。我國風力資源儲量豐富,尤其是新

疆、內蒙古一帶。在人口分散、集中供電困難的情況下,發展風力發電是一條重要途徑。

太陽能發電廠是利用太陽光能和太陽熱能來生產電能的,它一般建在常年日照時間長的地方。

地熱發電廠是利用地球內部儲藏的大量地熱能來生產電能的,一般建在有豐富地熱資源的地方。

2.變電所

變電所的功能是接收電能、變換電壓和分配電能。

按變電所的性質和任務不同,可分為升壓變電所和降壓變電所,除與發電機相連的變電所為升壓變電所外,其余均為降壓變電所。按變電所的地位和作用不同,變電所分為樞紐變電所、中間變電所和終端變電所。

工業企業等一些大型電力用戶都有自己的降壓變電所。

3.電力線路

電力線路的功能是將發電廠、變電所和電能用戶用導線連接起來,完成輸送電能和分配電能的任務。電力線路由輸電線路和配電線路組成。

(1)輸電線路的電壓等級較高,至少在35kV以上,110kV、220kV、330kV、660kV都是常見的電壓等級。

(2)配電線路主要用于人工照明和電氣使用,目前在房屋裝修時都要重新鋪設配電線路。

4.電能用戶

電能用戶又稱電力負荷,所有消耗電能的用電設備或用電單位都是電能用戶。

電能用戶使用的電多為交流電,且電壓等級不同。在我國,民用交流電的電壓是220V,工廠的一些大型用電設備使用的交流電壓是380V。高于380V的電壓俗稱為高壓電。

采用高壓輸送的電能,要通過變電站變成較低一級的電壓,再經配電線路將電能送往用戶。圖1－4所示為從發電廠到用戶的送電過程。圖1－4從發電廠到用戶的送電過程

5.三相四線制供電體制

我國工業生產和居民生活用電采用“三相四線制”的供電體制,即三根相線(相線帶電,用測電筆測量相線,氖管會發光,俗稱火線)和一根中性線(中性線不帶電,用測電筆測量中性線,氖管不發光,俗稱零線)。任意一根相線與中性線之間的電壓為220V,供給居民使用;任意兩根相線之間的電壓為380V,供給工業生產使用。

中性線和零線是有區別的。如果中性線接地,那么這根中性線也稱為零線;如果中性線不接地,那么這根中性線不能稱為零線。

1.1.2電工實訓室的初步認識

1.電工實訓室的電源配置

電工實訓室一般都配有220V和380V兩種規格的交流電。220V交流電供一般的電工儀器使用,380V交流電供三相交流電動機使用。交流電源一般通過配電盤引入室內。

實訓室配電盤一般由電源開關(閘刀開關或空氣開關)、熔斷器、儀表盤等組成。圖1－5所示為電工實訓室配電盤示意圖,顏色為黃(1)、綠(2)、紅(3)的導線是火線,顏色為黑色(4)的導線是中性線。圖1－

5電工實訓室配電盤示意圖

2.測電筆的用途及使用技巧

測電筆俗稱為試電筆、驗電筆,是一種低壓驗電器,能直觀地確定被測試導線和用電設備上是否帶電,是電工最常用的工具。

一般測電筆的外形如圖1－6所示。

圖1－6測電筆的外形

測電筆一般由金屬探頭、降壓電阻、氖管、透明絕緣套、彈簧、掛鉤等組成,如圖1－7所示。圖1－7測電筆的結構

如果把測電筆的金屬尖與帶電體接觸,測電筆的金屬筆尾與人手接觸,就會形成一個電流回路,氖管就會發光。測電筆測試電路的等效電路如圖1－8所示。由于測電筆中的電

阻值很大,所以流過人體的電流很小,人并無觸電的感覺。若氖管發光則證明被測物體帶電,若氖管不發光則證明被測物體不帶電,如圖1－9所示。圖1－8測電筆測試電路的等效電路圖1－9用測電筆判別電路是否帶電

使用測電筆必須掌握正確的使用方法,正確使用測電筆的握法如圖1－10所示。圖1－10測電筆的正確握法

使用測電筆可以做許多事情,例如:

(1)火線與零線的判別。

(2)交流電與直流電的判別。

(3)直流電正、負極的判別。

(4)電氣設備是否漏電的判別。

(5)線路接觸不良或不同電氣系統互相干擾的判別。

1.1.3常用電工測量儀表的認識和使用

圖1－11是幾種新型電工測量儀表。圖1－11幾種新型電工測量儀表

1.電工儀表的分類

電工儀表可以根據其工作原理、內部結構、測量對象和使用條件等進行分類。

(1)根據測量機構的工作原理分類,可以把電工儀表分為磁電系、電磁系、電動系、感應系、整流系等。

(2)根據測量的對象分類,可以分為電流表(安培表、毫安表、微安表)、電壓表(伏特表、毫伏表、微伏表以及千伏表)、功率表(瓦特表)、電度表、歐姆表、兆歐表、相位表等。

(3)根據儀表工作電流的性質分類,可以分為直流儀表、交流儀表和交直流兩用儀表。

(4)按儀表的使用方式分類,可以分為安裝式儀表和便攜式儀表。

(5)按儀表的使用條件分類,可以分為A、A1、B、B1和C五組。

(6)按儀表的準確度分類,有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七個準確度等級。

2.電工儀表的符號

電工儀表的表盤上有許多表示其技術特性的標志符號。根據國家標準的規定,每一個儀表必須有表示測量對象的單位、準確度等級、工作電流的種類、相數、測量機構的類別、

使用條件級別、工作位置、絕緣強度、試驗電壓的大小、儀表型號和各種額定值等標志符號。幾種常見電工儀表的符號如表1－1所示。

3.電工儀表的準確度

電工儀表的基本誤差通常用準確度來表示,準確度越高,儀表的基本誤差就越小。當一臺儀表測量不同大小的被測量時,其絕對誤差變化不大,但相對誤差卻有很大變化,即被測量越小,相對誤差越大。顯然,通常的相對誤差概念不能反映出儀表的準確性能,所以,一般用引用誤差來表示儀表的準確度性能。

儀表測量的絕對誤差與該表量程的百分比,稱為儀表的引用誤差。

儀表的準確度就是儀表的最大引用誤差,即在儀表量程范圍內的最大絕對誤差與儀表量程的百分比。顯然,準確度等級表明了儀表基本誤差最大允許的范圍。表1－2所示是儀表的準確度等級。

4.電工測量中最常用的儀表

1)電流表

電流表是測量電流的一種儀器,在面板上會有一個電流表的符號:A或kA。電流表可分為直流電流表和交流電流表。在結構上電流表分為指針式電流表和數字式電流表。過去經常使用的是指針式電流表,如圖1－12(a)所示;現在普遍使用的是數字式電流表,如圖1－12(b)所示。數字式電流表可將被測的電流直接用數字顯示出來。圖1－12電流表的類型

2)電壓表

電壓表是測量電壓的一種儀器,在面板上常有一個電壓表的符號:V。在結構上,電壓表分為指針式電壓表和數字式電壓表。過去經常使用的是指針式電壓表,現在普遍使用的

是數字式電壓表。數字式電壓表可將被測的電壓直接用數字顯示出來。從測量對象上電壓表分為直流電壓表和交流電壓表,直流電壓表的符號在V下加一條直線:“”,交流電壓表的符號要在V下加一個波浪線:“”。幾種常見的數字式電壓表外形如圖1－13所示。圖1－13幾種常見的數字式電壓表外形

3)萬用表

萬用表是一種應用較廣泛的電工電子測量儀器,用它可以測量直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻和晶體管直流電流放大系數等物理量。根據測量原理及測量結

果顯示方式的不同,萬用表分為兩大類:指針式萬用表和數字式萬用表。

(1)指針式萬用表。

在電工測量中一般都使用MF500型萬用表,其外形如圖1－14所示。圖1－14MF500型萬用表的外形

MF47型萬用表的外形如圖1－15所示。圖1－15MF47型萬用表的外形

(2)數字式萬用表。

數字式萬用表已經在電工電子測量中得到廣泛使用。數字萬用表的等級是用位數來表示的,比如某塊數字表有四位數字顯示,最左邊的高位只能顯示0或者1兩個數字,而其余的低三位能顯示0~9十個數字,這樣的表就叫作三位半表。

市場上的F15B型數字萬用表就是一款三又四分之三位表,其外形如圖1－16所示。圖1－16F15B型數字萬用表的外形

4)兆歐表

兆歐表俗稱搖表,是電工常用的一種測量儀表。兆歐表主要用來檢查電氣設備、家用電器或電氣線路對地或者各相線間的絕緣電阻,以保證這些設備、電器和線路工作在正常狀態,避免發生觸電傷亡及設備損壞等事故。它的刻度是以兆歐(MΩ)為單位的。PRS801型表就是一種數字式兆歐表,其外形如圖1－17所示。

圖1－17PRS801型兆歐表

實訓任務1變電所和電工電子實訓室電氣設備的認識

一、看一看仔細觀察變電所內的各種電氣設備,仔細觀察電工實訓室墻上的電源配置和配電盤上電工儀表的種類,認真聆聽電工師傅和教師的講解,認識配電盤上各種電工儀表的名稱,知道各種器材和設備的作用。

二、測一測

(1)在教師的指導下,用測電筆分別接觸電工實訓室墻上三孔電源插座內的各個銅極片和兩孔電源插座內的各個銅極片,仔細觀察測電筆上氖管發光的情況。

(2)在教師的指導下,再用測電筆分別接觸電工實訓室墻上四孔電源插座內的各個銅極片,仔細觀察測電筆上氖管發光的情況。

(3)在教師的指導下,用萬用表的交流電壓擋(500V擋)分別碰觸三孔電源插座內的各個銅極片和兩孔電源插座內的各個銅極片,測量銅極片間的交流電壓值,將測量結果記錄下來。

(4)在教師的指導下,用萬用表的交流電壓擋(500V擋),分別碰觸四孔電源插座內的各個銅極片,測量各個銅極片之間的交流電壓值,將測量結果記錄下來。

三、電流表、電壓表、萬用表和兆歐表的認識與使用

1.實訓器材

交、直流電壓表各1個;交、直流電流表各1個;兆歐表1個;指針式萬用表和數字式萬用表各1個;直流穩壓電源(0~30V,0~3A)1臺。

2.電工儀表的認識與操作

操作步驟:

①指導教師介紹各種儀表的名稱與作用。

②學生分別觀察交流電壓表、直流電壓表、交流電流表、直流電流表、兆歐表、萬用表的表盤標記與型號,并將它們記錄在表1－3中。

③學生用直流電壓表測定直流穩壓電源的輸出電壓。

在教師的指導下,調節直流穩壓電源的旋鈕,使其輸出端分別獲得6.0V和18.0V的電壓。選定電壓表上的量限,使電壓表的指針分別偏轉在1/3量限以下和2/3量限以上,各讀取兩個不同的電壓值,填入表1－4中,同時將電壓表的準確度等級和選定的量限記錄下來。

④按照表1－5中所示,將直流穩壓電源的電壓輸出調節到表中所示的各個值,分別用指針式萬用表和數字式萬用表測量,將測得數據填入表中,并進行誤差原因分析。

1.2安全用電與觸電急救

1.2.1觸電對人體的傷害及常見觸電類型

1.觸電對人體的傷害觸電對人體的傷害有電擊和電傷兩類。

(1)電擊是指電流通過人體時所造成的內傷,它可使人的肌肉抽搐、內部組織損傷,造成發熱、發麻、神經麻痹等現象,嚴重時會使人昏迷、窒息,甚至使人心臟停止跳動,因血液循環中止而死亡。通常說的觸電多指電擊。

(2)電傷是在電流的熱效應、化學效應、機械效應以及電流本身作用下造成的人體外傷。常見的有灼傷、烙傷和皮膚金屬化等現象。

2.電流對人體造成不同傷害的因素

人體對電流的反應非常敏感,電流對人體的傷害程度與以下幾個因素有關。

1)電流的大小

觸電時,流過人體的電流強度是造成損傷的直接因素。實驗證明,通過人體的電流越大,對人體的損傷越嚴重。

2)電壓的高低

人體接觸的電壓越高,流過人體的電流就越大,對人體的傷害也越嚴重。對觸電事例的分析統計表明,70%以上的死亡者是在對地電壓為250V的低壓下觸電的,而對地為380V以上的高壓,本來其危險性更大,但由于人們接觸機會少,且對它的警惕性較高,所以觸電死亡的事例約在30%以下。

3)電源頻率的高低

實驗證明,頻率為40~60Hz的交流電對人類造成的危害最大。

4)觸電時間的長短

一般用觸電電流與觸電持續時間的乘積(叫電擊能量)來衡量電流對人體的傷害程度。

5)電流通過的路徑

電流通過人的頭部,可使人昏迷;通過人的脊髓,可能導致肢體癱瘓;通過人的心臟,可造成心跳停止、血液循環中斷;通過人的呼吸系統,會造成窒息。

6)人體狀況

人的性別、健康狀況、精神狀態等與觸電傷害程度有著密切關系。

7)人體電阻的大小

人體的電阻越大,受電流傷害越輕。通常人體的電阻可按1~2kΩ考慮。這個數值主要由皮膚表面的電阻值決定。

3.安全電壓

從對人接觸電氣設備的安全性出發,我國的電氣標準規定,12V、24V和36V三個電壓等級為安全電壓級別,分別適用于不同的場所。

在濕度大、空間狹窄、行動不便、周圍有大面積接地導體的場所(如金屬容器內、礦井內、隧道內、汽車內等)使用的手提照明燈,應采用12V安全電壓。

凡手提照明器具、在危險環境使用的局部照明燈、攜帶式電動工具等,若無特殊的安全防護裝置或安全措施,均應采用24V或36V安全電壓。

4.人體觸電類型

人體觸電的原因主要有兩個方面:

一是設備、線路問題。如接線錯誤,特別是插頭、插座接線錯誤會直接造成觸電事故;由于電氣設備的絕緣層損壞而漏電,又沒有采取切實有效的安全措施,也會造成觸電事故。

二是人為因素。大量觸電事故的統計資料表明,有90%以上的事故是由人為因素造成的。其中,最主要的原因是安全教育不夠、安全制度不嚴、安全措施不完善、操作者素質不高等。

人體觸電主要有以下幾種類型。

1)單相觸電

單相觸電是指人體的一部分接觸一相帶電體所引起的觸電。

例如,人體直接接觸帶有電的電源插座或導線、接觸沒有絕緣皮或絕緣不良(如受潮、接線樁頭包扎不嚴)的導線及

與導線連通的導體、接觸金屬外殼帶電的用電設備(俗稱漏電)等,都是引起單相觸電的常見原因。圖1－18示出了兩種單相觸電的情況。

圖1－18單相觸電示意圖

單相觸電又可分為中性點接地和中性點不接地兩種情況。

(1)中性點接地系統的單相觸電。

在中性點接地的系統中,發生單相觸電的情況如圖1－18(a)所示。

(2)中性點不接地系統的單相觸電。

在中性點不接地的系統中,發生單相觸電的情況如圖1

－18(b)所示。

2)兩相觸電

兩相觸電是指人體的兩個部位分別接觸到交流電源的兩相所發生的觸電,如圖1－19所示。操作人員在安裝檢修電路或電氣設備時,若忘記切斷電源,就容易發生這類觸電事故。兩相觸電比單相觸電更危險,因為此時直接加在人體上的電壓是380V。圖1－19兩相觸電

3)跨步電壓觸電

當電氣設備的絕緣損壞或線路的一相斷線落在地上時,落地點的電位就是導線的電位。當電壓超過6000V以上的帶電導線斷落在地面上時,接地點周圍會產生強電場,電流

就會從落地點流入地中。離落地點越遠的地方,其電位越低。如果有人走近高壓導線落地點的附近,由于人的兩腳所處的位置不同,則在兩腳之間出現電位差,這個電位差叫作跨步電壓。

離電流入地點越近,跨步電壓越大;離電流入地點越遠,跨步電壓越小。根據實際測量,在離導線落地點20m以外的地方,地面的電位近似等于零。當人們感受到跨步電壓的威脅時,應趕快把雙腳并在一起,采用蹦跳的方式遠離導線落地點,也可以用一條腿跳著離開危險區。否則,因觸電時間長,也會導致觸電者觸電死亡,如圖1－20所示。圖1－20跨步電壓觸電示意圖

1.2.2電氣火災的產生原因及其預防

1.電氣火災的產生原因

電氣火災一般是指由于電氣線路、用電設備以及供配電設備出現故障而引起的火災,也包括由雷電和靜電引起的火災。據統計,電氣火災事故中,由線路漏電、短路、過負荷、

接觸電阻過大等因素造成的事故比例較高。

1)線路漏電

所謂漏電,就是線路的某一個地方因為某種原因(自然原因或人為原因,如風吹雨打、潮濕、高溫、碰壓、劃破、摩擦、腐蝕等)使電線的絕緣或支架材料的絕緣能力下降,導致電線與電線之間(通過損壞的絕緣、支架等)、導線與大地之間(電線通過水泥墻壁的鋼筋、馬口鐵皮等)有一部分電流通過,這種現象就是漏電。

2)導線過負荷

所謂導線過負荷,是指當導線中通過的電流量超過了導線的安全載流量時,導線的溫度不斷升高,這種現象就叫導線過負荷。

3)電路短路

電氣線路中的裸導線或導線的絕緣體破損后,火線與火線或火線與地線在某一點碰在一起,引起電流突然大量增加的現象叫短路。

4)電熱設備通電時間過長

長時間使用電熱電器,或者用后忘記關掉電源,可能會引起周圍易燃物品的燃燒,從而造成火災。

5)電路接頭處接觸電阻過大

導線與導線、導線與開關、熔斷器、儀表、電氣設備等連接的地方都有接頭,在接頭的接觸面上形成的電阻稱為接觸電阻。

6)電路中產生電火花或電弧

在生產和生活中,電氣設備在運行或操作過程中,有時會產生電火花和電弧。如電動機的電刷與滑環接觸處在正常運行中就會產生電火花;當使用開關斷開電路時,若負載很重,就會在開關的刀閘處產生電弧;當拔掉電源插頭或使用接觸器斷開電路時,會有電火花發生。如果電路發生短路故障,則產生的電弧更大。電火花、電弧的溫度很高,特別是電弧的溫度可高達6000℃。這么高的溫度不僅能引起可燃物的燃燒,還能使金屬熔化、飛濺,所以電火花和電弧是一種非常危險的火源。

2.預防電氣火災的安全措施

(1)各種用電器的金屬外殼,必須有良好的保護接零或保護接地措施,如圖1－21所示。圖1－21用電器的保護措施

(2)經常檢查電器內部電路與外殼間的絕緣電阻,凡是絕緣電阻不符合要求的,應立即停止使用。電器在使用前要仔細查看電源線及插頭是否有破損現象。

(3)各種電氣設備的安裝必須按照規定的高度和距離施工,火線與零線的接線位置要符合“左零右火”的用電規范。

(4)在用電器發生火災時,應首先切斷電源,切勿用水去滅火。

(5)在電路中安裝漏電保護器。漏電保護為近年來國家推廣采用的一種新的防止觸電的保護裝置。

實訓任務2觸電事故應急處置方法的訓練

一、觸電事故的應急處置

1.低壓觸電事故的應急處置假設某人發生單相交流電觸電事故,電源線搭在觸電者身上。在教師的指導下,學生按照下述的低壓觸電事故采取的斷電措施,對觸電者實施急救。在醫務工作者沒在現場的情況下,急救的首先目標是務必使觸電者先脫離電源,為后續搶救贏得時間。

使觸電人員脫離低壓電源的方法可用“拉”“拔”“切”“挑”“拽”“墊”六種方法。

(1)拉:就近拉開電源開關。

(2)拔:就是把使人員觸電的用電器的電源線插頭拔出電源插座,如圖1－22(a)所示。

(3)切:當電源開關距觸電現場較遠,或斷開電源有困難時,可用帶有絕緣柄的工具切斷電源線,如圖1－22(b)所示。切斷時應防止帶電導線斷落觸及其他人。

(4)挑:當導線搭落在觸電者身上或壓在身下時,可用干燥的木棒、竹竿等挑開導線,或用干燥的絕緣繩套拉導線或觸電者,使觸電者脫離電源,如圖1－22(c)所示。

(5)拽:救護人員可戴上手套或在手上包纏干燥的衣物等絕緣物品拖拽觸電者,使之脫離電源,如圖1－22(d)所示。

(6)墊:如果觸電者由于痙攣,手指緊握帶電導線,或導線纏在身上,可先用干燥的木板塞進觸電者的身下,使其與地絕緣,然后再采取其他辦法切斷電源。圖1－22使觸電者脫離電源的方法

2.高壓觸電事故的應急處置

假設某人發生高壓交流電觸電事故,電源線搭在觸電者身上。在教師的指導下,學生按照高壓觸電事故采取的斷電措施,對觸電者實施急救。在現場沒有醫務工作者的情況下,

可按照下述步驟進行搶救:

(1)立即撥打110報警電話,報告事故發生地的準確位置,請他們通知電業部門對該線路進行停電。

(2)在有高壓絕緣器材的情況下,搶救人員必須戴好高壓絕緣手套,穿上高壓絕緣鞋,使用相應電壓等級的絕緣工具桿,拉開觸電者身上的電源線,或者拉開就近高壓線路上的高壓跌落開關。

二、發生電氣火災時的急救訓練

一旦發生電氣火災,要迅速采取以下急救措施:

(1)發現電子裝置、電氣設備、電纜等冒煙起火時,要首先盡快切斷電源,再按照對待普通火災的方法進行撲救。

(2)對電氣起火物體要使用沙土或專用不導電的滅火器進行滅火,絕對不能用水來滅火。適用于電氣滅火的滅火器有干粉滅火器、1211滅火器、1301滅火器、CO2滅火器等。

(3)若現場人員不能控制火情,則應立即逃生并撥打119報警。

練習題

1－1電力系統有哪幾個重要組成部分?各承擔什么功能?

1－2電工實訓室都配有電壓為多少的交流電?各有什么用處?

1－3如何正確使用測電筆測量交流電?

1－4使觸電者脫離低壓電源可采取什么方法?

1－5當你發現觸電者被高壓電源擊倒時,首先應該采取什么措施?項目2直流電路的認識與測量2.1電工技術中的基本物理量及其測量方法實訓任務電工技術中基本物理量的認識與測量2.2直流電路中的基本元件實訓任務直流電路基本元件的認識與測量2.3電位及其測量實訓任務5直流電路中電位的測量及故障檢測2.4直流電路的兩個重要定律實訓任務電壓和電流分配關系的認識練習題

知識目標

(1)了解電路的組成和各部分電路的作用。

(2)知道電路的三種工作狀態和意義。

(3)掌握額定電壓、電流和功率的概念。

(4)理解電動勢、端電壓和電位的概念。

技能目標

(1)會計算電阻的串聯與并聯。

(2)會分析計算簡單直流電路中各點的電位。

(3)會用基爾霍夫定律分析計算電路。

(4)能正確使用電流表,會將電流表正確接入電路進行測量。

(5)會使用萬用表對電壓、電流和電阻進行測量。

2.1電工技術中的基本物理量及其測量方法

在電工技術中,有幾個最基本的物理量:電壓、電流、電功率和電能。在電路中,有三個最基本的元件:電阻、電容和電感,它們在直流電路中的表現各不相同,分別代表了不同的電路特性。

2.1.1電路中的基本物理量

1.電流

電荷的定向運動形成電流,電流在電路中的流動產生了電能和其他形式能量之間的轉換。電路中沒有電流,就沒有能量轉換的發生。電流是電路中的一個最基本的物理量。

1)電流的大小

電流的大小叫作電流強度,用符號I或i表示,定義為單位時間內通過導體橫截面的電荷量,即

當電流的大小、方向均不隨時間變化時,稱為直流電流,用大寫字母I來表示,即

電流強度簡稱為電流,所以“電流”一詞不僅表示電荷定向運動的物理現象,還代表電流的大小。

在國際單位制中,電流的單位是安培(A),簡稱安。在電力系統中,有時取千安(kA)為電流的單位,而在電子系統中,常用毫安(mA)、微安(μA)作為電流的單位。各個單位之間

的換算關系為

2)電流的方向

人們規定:將正電荷運動的方向作為電流的方向。在簡單電路中,人們很容易判斷出電流的實際方向,但是對于比較復雜的電路,電流的實際方向就很難直觀判斷了。另外,在交流電路中,電流是隨時間變化的,在圖上也無法表示其實際方向。

在電路中一般用實線箭頭表示電流的參考方向。電流參考方向不一定是電流的實際方向。當電流的參考方向與實際方向一致時,計算出來的電流為正值(I>0);當電流的參考方向與實際方向相反時,計算出來的電流為負值(I<0)。這樣,在選定的參考方向下,根據電流的正負,就可以確定電流的實際方向。電流的實際方向與參考方向如圖2－1所示。圖2－1電流的實際方向與參考方向

2.電壓

1)電壓的大小

在電路中,電場力做功使電荷做定向移動。為了衡量電場力做功的能力,人們引入了電壓這一物理量。

定義:電場力把單位正電荷從a點移動到b點所做的功稱為a、b兩點間的電壓,用字母uab表示,即

式中,dw表示電場力將電荷量為dq的正電荷從a點移動到b點所做的功,單位為焦耳。

2)電壓的方向

電壓的實際方向是由高電位端指向低電位端。在實際電路的分析計算中,也需要引入電壓的參考方向,當電壓的實際方向與參考方向一致時,計算出來的電壓為正值;當電壓的實際方向與參考方向相反時,計算出來的電壓為負值。根據電壓的參考方向與數值的正負就可判斷出電壓的實際方向,如圖2－2所示。圖2－2電壓的實際方向與參考方向

3)電動勢

電動勢描述的是在電源中外力做功的能力,它的大小等于外力在電源內部克服電場力把單位正電荷從負極移動到正極所做的功,用字母E表示。電動勢的實際方向在電源內部是由電源負極指向電源正極的,如圖2－3所示。圖2－3電動勢與電壓的方向

4)關聯參考方向

雖然電壓與電流的參考方向可以任意選定,但為了計算方便,常選擇電流與電壓一致的參考方向,這樣的方向稱為關聯參考方向,如圖2－4(a)所示。當電壓與電流的參考方向

不一致時,稱為非關聯參考方向,如圖2－4(b)所示。圖2－4電壓與電流的關聯參考方向與非關聯參考方向

3.電功率

人們將單位時間內,電路吸收或發出的電能定義為該電路的電功率,簡稱功率,用字母P表示。當電壓與電流為關聯參考方向時,功率的計算公式為

P=UI

當電壓和電流為非關聯參考方向,功率的計算公式為

P=－UI

式中,U是某一元件或這一部分電路的端電壓,I是流經某一元件或電路的電流。

以上兩個公式中,若P>0,則電路或元件吸收(或消耗)功率;若P<0,則表示此電路或元件發出(或產生)功率。

功率的單位是W(瓦),除了W之外,還有kW(千瓦)、mW(毫瓦)。各單位之間的關系為

1kW=103W=106mW

例2－1(1)在圖2－5中,電流均為3A,且均由a點流向b點,求這兩個元件的功率,并判斷它們的性質。

(2)在圖2－5(b)中,設元件產生的功率為4W,求電流。圖2－5例2－1題電路

解(1)設電路圖2－5(a)中電流I的參考方向由a指向b,則對圖2－5(a)所示元件來說,電壓、電流為關聯參考方向,故此元件的功率為

P=UI=2×3=6W

P>0,則此元件吸收功率。

對圖2－5(b)所示元件來說,設電流I的參考方向由a指向b,則電壓、電流為非關聯參考方向,故此元件的功率為

P=-UI=－(-2×3)=6W

P>0,則此元件吸收功率。

(2)設圖2－5(b)中電流I的參考方向由a指向b,因元件產生的功率為4W,故功率P=-4W,由P=-UI=-4W可得

負號表明電流的實際方向是由b指向a。

以上是電路分析中常用的電流、電壓和功率的基本概念及相應的計算公式,這些量可以取不同的時間函數,所以又稱它們為變量。

特別值得注意的是:對電路中電流、電壓設參考方向是非常必要的。

習慣上常把電流、電壓參考方向設成關聯方向,有時為了簡化,一個元件上只標出電流或電壓一個量的參考方向,意味著省略的那個量的參考方向與給出量的參考方向是關聯的。

例2－2計算圖－6中各元件的功率,指出是吸收還是發出功率,并求整個電路的功率。已知電路為直流電路,

U1=4V,U2=-8V,U3=6V,I=2A。圖2－6例2－2電路圖

4.電能

根據電功率的計算公式可得

dw=pdt

則在t0到t的一段時間內,電路消耗的電能為

電能在直流電路中的表達式為:W=Pt=UIt。

電能的單位為J(焦耳),常用的還有千瓦·時,習慣上稱為度。各單位之間的換算關系是

1度=1千瓦·時=3.6×106焦耳

2.1.2電流的測量

1.用指針式萬用表測量電流

指針式萬用表的表頭就是一個電流表,表頭指針偏轉的大小反映了流經儀表的電流大小。測電流時,電表要與被測元件所在的支路串聯。

2.用數字式萬用表測量電流

用數字式萬用表測量直流電流時,要將數字式萬用表的量程開關撥至“DCA”范圍內的合適擋位。

數字式萬用表的紅色表筆有三個插孔可選擇:20A、mA和VΩ,分別用于測量大電流、小電流、電壓和電阻。圖2－7清楚地顯示了數字萬用表的四個插孔。圖2－7數字式萬用表的四個插孔

2.1.3電壓的測量

1.用指針式萬用表測量電壓

用指針式萬用表測量直流電壓時,先將紅表筆插入萬用表面板上標有“+”符號的孔中,接直流電壓的正極,將黑表筆插入萬用表面板上標有“-”符號的孔中,接直流電壓的負極。再選擇相應的量程,即可從表盤指針的位置讀出被測量的直流電壓值。

2.

用數字式萬用表測量電壓

用數字式萬用表測量直流電壓時,先將電源開關撥至“ON”,再將量程開關撥至“DCV”范圍內的合適量程,把紅表筆插入“VΩ”孔中,把黑表筆插入“COM”孔中,將兩表筆與被測電路并聯,顯示屏上即可顯示出被測量的電壓數值,同時還會自動顯示出紅表筆端直流電壓的極性。

需要注意的是:當被測量信號的頻率為45~500Hz以內時,且輸入信號為正弦波,則可以比較準確地顯示出該信號交流電壓的有效值。

2.1.4電功率的測量

圖2－8所示是功率表的接線圖。固定線圈的匝數少,導線粗,與負載串聯,作為電流線圈;可動線圈的匝數較多,導線較細,與負載并聯,作為電壓線圈。

由于并聯線圈串聯有高阻值的倍壓器,它的感抗與其電阻相比可以忽略不計,所以可以認為其中電流i2與兩端電壓u同相。這樣功率表指針的偏轉角度為

即電動式功率表中指針的偏轉角度α與電路中平均功率P成正比。圖2－8功率表的接線圖

2.1.5電能的測量

電度表是測量電能的儀表。電度表結構由驅動元件、轉動元件、制動元件、計度器組成,當驅動元件即線圈中通入電流,產生轉動力矩驅動轉盤轉動時,計度器計算轉盤的轉數,以達到測量電能的目的。電度表的接線圖如圖2－9所示。

電能的測量原理與功率測量原理相同。電能與功率和時間成正比,在使用電度表測量電能時,測量功率的大小與電度表轉盤的轉速成正比,而測量圖2－9電度表的接線圖時間與轉盤轉動的轉數成正比。電度表通過計算轉盤轉動的轉數來實現對電能的測量圖2－9電度表的接線圖

實訓任務3電工技術中基本物理量的認識與測量

一、看一看認識常見的各種類型的電阻、電容和電感,并正確識讀元件表面上的文字符號。

二、測一測

(1)學生用指針式萬用表對各種類型的電阻器進行測量,將測量結果與元件的規格進行比較。

(2)學生用指針式萬用表對各種材料的電容器進行測量,總結出質量好的電容器的阻值結果。

(3)學生用指針式萬用表對各種類型的電感器進行測量,總結出質量好的電感器的阻值結果。

三、電工基本物理量的認識與測量

1.實訓器材

萬用表1個;直流穩壓電源1臺;滑線變阻器1個;電阻器(510Ω)1個。

2.操作步驟

1)測量直流電壓

調節直流穩壓電源輸出電壓分別為1V、5V、8V、12V、15V、20V、25V、30V,選擇萬用表直流電壓相應擋位測上述各電壓,將測量結果記入表2－1中。

2)測量直流電流

按圖2－10連接電路,直流電源輸出電壓為10V,R=510Ω。選擇好萬用表直流電流擋的量限,閉合開關后,調節滑線變阻器分別為測量各自的直流

電流值,記入表2－1中。在測量中,如需改變電流擋的量限,則要在開關斷開后進行。圖中毫安表為萬用表的直流電流擋。

3)測量交流電壓

用萬用表交流電壓擋,測量實驗室的220V和380V的交流電源電壓值,并記入表2－1中。圖210直流電流測量連接圖

2.2直流電路中的基本元件

2.2.1簡單直流電路的初步認識仔細觀察如圖2－11(a)所示的手電筒電路結構。當按下手電筒的開關按鈕時,電珠就會發光。電珠發光顯然是因為有電流流過電珠,電流是通過哪些環節由電池流到電珠的?這就牽扯到電路由哪幾部分組成的問題。在電路中,各個組成部分又各起什么作用呢?讓我們來仔細分析一下。圖2－11手電筒的電路組成

1.電路的組成及其功能

1)電路的組成

電路是電流的流通路徑,它是由一些電氣設備和元器件按一定方式連接而組成的。手電筒電路由電池、燈泡、開關和金屬連片組成。當我們將手電筒的開關接通時,金屬片把電池和燈泡連接成通路,就有電流通過燈泡,使燈泡發光,這時電能轉化為熱能和光能。其中,電池是提供電能的器件,稱為電源;燈泡是用電器件,稱為負載;金屬連片相當于導線,它和開關將電源與負載連接起來,起傳輸和控制作用,稱為中間環節。

2)電路的功能

在通信、自動控制、計算機、電力等工業領域中,各種元器件和電氣設備組成了各種千差萬別的電路,但就其實質而言,電路的功能可概括為兩個方面:

(1)電能的傳送、分配與轉換。

(2)信息的傳遞與處理。

2.理想電路元件

實際電路種類繁多,用途各異,組成電路的元器件以及它們在工作過程中發生的物理現象也形形色色。但從能量的角度來看,電路在工作過程中只有三種電磁特性:電能的消耗、電能與電場能的轉換、電能與磁場能的轉換。在電路中,一個實際電路器件往往具有兩種或兩種以上的電磁特性,并同時存在著幾種能量形式。

規定:在電路中,只消耗電能的元件叫作電阻元件。例如白熾燈、電爐絲、電阻器等實際器件均可用電阻元件作為模型。

在電路中,只具有儲存和釋放磁場能量性質的元件叫作電感元件。例如日光燈電路中的鎮流器、電動機中的定子線圈等,都可以用電感元件作為模型。

在電路中,只具有儲存和釋放電場能量性質的元件叫作電容元件。例如各種電容器都可用電容元件作為模型。

三種理想電路元件的電路符號如圖2－12所示。圖2－12三種理想電路元件的符號

3.電路模型

對于實際電路的研究一般采取兩種方法:

一種方法是測量法,用各種儀表對電路的各種物理量進行測試,從而研究出電路的工作情況;

另一種方法是分析法,根據實際電路抽象得到電路模型,再通過分析和計算來進行研究。

圖2－11(b)所示的電路原理圖,就是實際手電筒電路的模型。通過分析法對電路進行研究時,建立實際電路的模型(簡稱建模)是一項重要工作。

圖2－13(a)是一個電感器件。在直流工作情況下,這個電感器件的模型是一個電阻元件,如圖2－13(b)所示;在較低的頻率工作情況下,這個電感器件的模型要用電阻元件和

電感元件的串聯組合模擬,如圖2－13(c)所示;在較高的頻率工作情況下,還要考慮到電感器件導體表面的電荷作用,即電容效應,所以這個電感器件的模型還需包含電容元件,如圖2－13(d)所示。圖2－13電感器件在不同工作條件下的模型

2.2.2在直流電路中基本元件的特性

1.電阻

1)電阻元件

電阻元件是反映在電路中消耗電能這一物理現象的理想元件,電阻元件簡稱為電阻。電阻還是表示對電流呈現阻力的電路參數。

2)電阻元件的伏安關系

歐姆定律指出:電阻元件上的電壓與流過它的電流成正比。設電阻兩端的電壓和電阻中的電流為關聯參考方向,則在直流電路中的伏安關系為

電阻元件有線性電阻元件和非線性電阻元件之分,服從歐姆定律的電阻元件稱為線性電阻元件。線性電阻元件的伏安特性為過原點的一條直線,如圖2－14所示。而非線性電阻元件的伏安特性依每種元件的不同而各不相同。

圖2－14線性電阻元件的伏安特性

在國際單位制中,電阻的單位為歐姆(Ω)。電阻的倒數稱為電導,記為G,單位為西門子,簡稱西(S),即

當電路中a、b兩端的電阻R=0時,稱a、b兩點短路;當電路中a、b兩端的電阻R→∞時,稱a、b兩點開路。

3)電阻元件上的功率

電阻R上的功率表達式為

可見,P≥0,即電阻元件總是消耗(或吸收)功率。

4)電阻器

電阻器和電阻是兩個不同的概念。電阻是理想化的電路器件,其工作電壓、電流和功率沒有任何限制。而電阻器是實際的電路器件,只有在一定的電壓、電流和功率范圍內才

能正常工作。電子設備中常用的碳膜電阻器、金屬膜電阻器和線繞電阻器在生產制造時,除注明標稱電阻值(如100Ω、10kΩ等)外,還要標注額定功率值(如1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W等),以便用戶使用時參考。

常用電阻元件的外形與圖形符號如圖2－15所示。圖2－15常用電阻元件的外形與圖形符號

2.電感

1)電感元件

電感器的基本結構是把一段導電良好的金屬導線繞在一個骨架上(也可以是鐵芯)形成一個線圈,再外加屏蔽罩組成。當電感元件中流過電流時,電流就產生磁場,電能轉變成磁場能儲存在線圈中。所以電感器是能夠儲存磁場能量的元件。

電感元件是實際電感器的理想化模型,它是反映電路器件儲存磁場能量這一物理性能的理想元件。通常將電感元件簡稱為電感,它也是表征材料(或器件)儲存磁場能量多少的一種參數。

如圖2－16所示,一個電感線圈,當電流i通過后,會產生磁通ΦL,若磁通ΦL與N匝線圈相交鏈,則線圈的磁鏈為

對于線性電感而言,磁鏈與線圈中電流的比值是一個常數,用L來表示,即

電感器的文字符號用大寫字母L表示。電感的單位是亨利(H),常用的單位還有毫亨(mH)、微亨(μH)。它們之間的換算關系是圖2－16電感線圈的磁通和磁鏈

2)電感元件的伏安關系

圖2－17所示為電感元件的圖形符號。在圖示的電壓、

電流關聯參考方向下,其兩端的電壓和流過電感內部電流的

伏安關系為圖2－17電感元件的圖形符號

由上式可知:

(1)電感上任一時刻的自感電壓uL取決于同一時刻的電感電流iL的變化率,即電流變化越快,自感電壓也越大。

(2)當電流iL=IL為恒值時,由于電流不隨時間變化,則uL=0,電感相當于短路。

(3)電感在直流電路中不消耗功率。

3)電感器

常見電感器的外形和圖形符號如圖2－18所示。圖2－18常見電感器的外形和圖形符號

實際的電感線圈可以用一個理想電感與理想電阻的串聯作為它的電路模型,在電路工作頻率很高的情況下,還需要再并聯一個電容來構成線圈的電路模型,如圖2－19所示。圖2－19電感器的幾種電路模型

3.電容

1)電容元件

用絕緣介質隔開的兩塊金屬極板構成了電容器。實驗發現,在外電源的作用下,兩塊極板上能分別儲存等量的異性電荷,并在介質中形成電場。當外電源撤走后,兩極板上的電荷能長久地儲存,而電荷所建立的電場中,也儲存著能量,因此電容器是一種將電能轉變為電場能量的元件。

2)電容元件的伏安關系

圖2－20所示為電容元件的圖形符號,其文字符號表示

為C。在國際單位制中,電容C的單位是法拉,簡稱法,用F表示。圖2－20電容元件的圖形符號

電容元件上的電容量與其存儲的電荷量q和它兩端的電壓uC的關系為

由此可知,當電容兩端的電壓升高時,其儲存的電荷量增加,這一過程稱為充電。當電容兩端的電壓降低時,其儲存的電荷量減少,這一過程稱為放電。電容在充放電的過程中,它所儲存的電荷隨時間而變化。

當u、i采用關聯參考方向時,根據電流強度的定義:

可得

由上式可知:

(1)電容上任一時刻的電流i取決于同一時刻的電容電壓uC的變化率。即電壓變化越快,充放電的電流也越大。

(2)當電容兩端的電壓uC=UC為恒值時,由于電壓不隨時間變化,則i=0,電容相當于開路。

(3)電容在直流電路中不消耗功率。

3)電容器

常用電容元件的外形和圖形符號如圖2－21所示。圖2－21常見電容器的外形和圖形符號

實訓任務4直流電路基本元件的認識與測量

一、實訓器材萬用表1個;色環電阻及其他電阻若干;電容(瓷片電容和電解電容)若干。

二、操作步驟1.用萬用表測量電阻器首先學習表2－2給出的色環電阻的意義,再選擇萬用表合適的擋位進行電阻測量,每擋測量三個電阻,將測量結果記入表2－3中。

2.用萬用表測量電感器

對實驗室已有的各種電感器(選擇三個)和變壓器(有初級繞組和一個次級繞組)進行測量。選擇萬用表的合適電阻擋位對電感器和變壓器的線圈繞組進行測量,以判定電感器和變壓器線圈的通和斷,進而得出其質量是否合格的結論。作好記錄,將結果填寫在表2－4中。

3.用萬用表測量電容器

選擇一個瓷片電容、一個滌綸電容和三個不同容量的電解電容,選擇合適的電阻擋位進行測量,以判定電容器的質量,同時判別電容器的極性,作好記錄,將結果填寫在表2－5中。

2.3電位及其測量

2.3.1直流電路中的電位在電路中,電流之所以能夠流動,是因為電路中在這兩點之間存在電位差。要比較兩點的電位高低,首先要確定計算電位的起點:零參考點。在電工技術上,常以大地作為零參考點;在電子技術上,則經常以金屬底板、機殼或公共點作為零參考點。電位零參考點用符號“⊥”表示。

由電位的定義可知:電路中a點到b點的電壓就是a點電位與b點的電位之差,即

Uab=Va-Vb

所以電壓又稱電位差。

例2－3如圖2－22(a)所示,已知電路中Uab=60V,Uca=80V,Uda=30V,Ucb=140V,Udb=90V,求:電路中各點電位。圖2－22例2－3圖

解設電路中a點為零參考點,即Va=0(如圖2－22(b)所示),則可得出:

b點的電位比a點低60V,而c點和d點的電位比a點分別高80V和30V。

如果設b點為零參考點,即Vb=0,則可得出:

從上面的結果可以看出:

①電路中某一點的電位等于該點與零參考點之間的電壓。

②在電路中,零參考點選的不同,電路中各點的電位值也隨著改變,但是任意兩點間的電壓值是不變的。所以各點電位的高低是相對的,而兩點間的電壓值是絕對的。

在電子電路中,為使電路簡化常省略電源不畫,而在電源端用電位的極性及數值標出,如圖2－23(a)的電路可改畫為圖2－23(b)的電路,a端標出+Va,意為電壓源的正極接在

a端,其電位值為Va,電源的負極則接在零參考點c。圖2－23用電位簡化電路

2.3.2直流電路中電壓和電位的測量

測量電路中任意兩點間的電壓時,先在電路中假定電壓的參考方向,將電壓表的紅、黑表筆分別與電路中假定的正、負相接。若電壓表表針正向偏轉,表明實際極性與參考極性相同,則該電壓記作正值;若電壓表表針反向偏轉,則應立即將兩只表筆相互交換接觸位置,再讀取讀數,則該電壓記作負值。

測量電路中的電位時,首先在電路中選定一電位零參考點,將電壓表跨接在被測點與零參考點之間,用電壓表的紅表筆接被測點,黑表筆接零參考點。若電壓表指針正向偏轉,則該點的電位為正值;若電壓表指針反向偏轉,則應立即交換兩表筆的接觸位置,再讀取讀數,則該點的電位為負值。

對于直流電路中故障的檢查和判斷,首先要知道各點在正常情況下的電位值,這可根據電路結構計算出來,或者先將已知的正常工作電位值標出來,例如各種家用電器已在電路圖中標出正常工作時的電位值。然后將測量數值與正常值相比較,從而可判斷出電路中有故障的部位和元件。

實訓任務5直流電路中電位的測量及故障檢測

一、實訓器材雙輸出直流穩壓電源1臺;可變電阻器1個;直流電流表1個;直流電壓表(或指針式萬用表)1個;100Ω、200Ω電阻(均1W)各1個。

二、操作步驟

(1)按圖2－24連線。US1=3V(穩壓電源Ⅰ),US2=8V(穩壓電源Ⅱ),R1=100Ω,R2=200Ω,RP為可變電阻器,選擇D點為零參考點,調節RP=R2、RP=R2/2時,分別測量A、B、C、E各點電位,并將結果記入表2－6中。圖2－24測量電位的電路圖

(2)取上述情況的RP=R2/2時做正常情況電路。在R2斷路和R2短路兩種情況下,分別測量A、B、C、E各點電位,并將結果記入表2－6中。比較故障時的測量值與正常情況的值的差別,重新分析出故障的原因。

2.4直流電路的兩個重要定律

2.4.1電源的理想化模型在電路中有電阻時,只要有電流流過電阻,就會消耗能量。為電路提供能量的裝置是電源,常用的直流電源有電池,還有將交流電轉變為直流電的穩壓電源等。為了得到各種實際電源的電路模型,首先定義理想電源。理想電源是實際電源的理想化模型,根據實際電源工作時的外特性,一般將獨立電源分為電壓源和電流源兩種。

1.理想電源

理想電源按其特性的不同,又可分為理想電壓源和理想電流源兩種。

1)理想電壓源

理想電壓源的符號和伏安特性如圖2－25所示,圖中的“+”號、“-”號為US的參考極性。

由伏安特性可知理想電壓源的特點如下:

(1)它的端電壓保持為一個定值US,與流過它的電流無關。

(2)通過它的電流取決于它所連接的外電路。圖2－25理想電壓源的符號和伏安特性

例2－4在圖2－26電路中,US=15V,負載R為可調電阻器,求電阻R的值分別為3Ω、30Ω、∞時,電路中的電流I、理想電壓源的端電壓U及功率PS。圖2－26例2－4圖

③當R=∞時,有

注意:如果計算出電壓源的功率PS>0,則說明該電壓源吸收功率,那么該電壓源US就是一個正在被充電的電池。

2)理想電流源

理想電流源的符號和伏安特性如圖2－27所示,圖中箭頭所指方向為IS的參考方向。

由伏安特性可知理想電流源的特點如下:

(1)流過它的電流保持為一個定值IS,與它兩端的電壓無關。

(2)它的端電壓取決于它所連接的外電路。圖2－27理想電流源的符號及伏安特性

例2－5在圖2－28電路中,IS=3A,負載R為可調

電阻器,求電阻R的值分別為0Ω、10Ω、30Ω時,理想電

流源的電壓U、電路中的I及功率PS。圖2－28例2－5圖

2.受控電源

前面所討論的兩種電源模型:電壓源和電流源,其電壓與電流都不受電路其他量的影響而獨立存在,被稱作獨立電源。在電子電路中,還經常遇到另一類型的電源,它們的電壓或電流并不獨立存在,而是受電路中其他部分的電壓或電流的控制,這種電源稱為受控電源。

當被控制的電壓或電流消失或等于零,受控電源的電壓或電流也將為零,當被控制的電壓或電流增加、減少或極性發生改變時,受控電源的電壓或電流也將增加、減少或改變

極性,所以受控電源又稱為非獨立電源。如場效應管是一個電壓控制元件,晶體三極管是一個電流控制元件,運算放大器既是電壓控制元件,又是電流控制元件。

根據受控電源在電路呈現的是電壓還是電流,以及這一電壓或電流是受電路中另一處的電壓還是電流所控制,受控電源又分成電壓控制電壓源(簡稱VCVS)、電流控制電壓源

(簡稱CCVS)、電壓控制電流源(簡稱VCCS)、電流控制電流源(簡稱CCCS)四種類型。四種理想受控電源的模型如圖2－29所示。圖2－29理想受控電源模型

所謂理想受控電源,就是它的控制端(輸入端)和受控端(輸出端)都是理想的。在控制端,對電壓控制的受控電源,其輸入端電阻無窮大,即輸入端開路;對電流控制的受控電源,其輸入電阻為零,即輸入端短路,這樣,控制端消耗的功率為零。在受控端,對受控電壓源,其輸出電阻為零,輸出電壓恒定;對受控電流源,其輸出端電阻為無窮大,輸出電流恒定。這與理想獨立電壓源、電流源的特性相同。

2.4.2關于直流電路結構的幾個名詞

在只含有一個電源的簡單電路中,電路電流、電壓的計算可以根據歐姆定律求出。但在含有兩個以上電源的電路中,或者是由電阻特殊連接構成的復雜電路的計算,僅靠歐姆定律解決不了問題,必須得依靠基爾霍夫定律。

(1)支路。規定:電路中通過同一電流的每個分支稱為支路。比如在圖2－30中,共有aeb、acb、adb三條支路。圖2－30具有三條支路兩個節點的電路

(2)結點。規定:電路中3個或3個以上支路的連接點稱為結點。如圖2－31中共有兩個結點,a結點和b結點。

(3)回路。規定:電路中任一閉合的路徑稱為回路。圖230中的acbda、aebca、aebda都是回路。

(4)網孔。規定:網孔是存在于平面電路的一種特殊回路,這種回路除了構成其本身的那些支路外,在回路內部不另含有支路。如圖2－30中共有acbda、aebca兩個網孔。圖2－31電流方向

2.4.3關于直流電路的兩個重要定律

基爾霍夫定律是描述電路中各電流之間和各電壓之間相互關系的基本定律,它包含基爾霍夫電流定律(KCL)和基爾霍夫電壓定律(KVL)。

1.基爾霍夫電流定律(KCL)

基爾霍夫電流定律的基本內容是:對于電路中的任一結點,在任一瞬間,流入該結點的電流之和等于流出該結點的電流之和。其數學表示式為

所以基爾霍夫電流定律還可以表述為:對于電路中的任一結點,在任一瞬間,通過該結點的各支路電流的代數和恒等于零。

在用基爾霍夫電流表示電流關系時,要事先對結點電流的正負做好規定。一般規定以流入結點為正,流出結點為負。當然也可以作相反的規定。圖2－31電流方向圖2－32例2－6圖

2.基爾霍夫電壓定律(KVL)

基爾霍夫電壓定律的基本內容是:對于電路中的任一回路,在任一瞬間,沿任意給定的繞行方向,該回路內各段電壓代數和等于零。其數學表達式為

式中,各段電壓的正負按照其參考方向與選定回路繞行方向的關系來確定。電壓的參考方向與選定回路的繞行方向

相同時,該電壓為正,該電壓取“+”號;電壓的參考方向與

選定回路的繞行方向相反時,該電壓為負,該電壓取“-”號。

在圖2－33電路中,按照確定的繞向,其KVL關系式為

可得

所以基爾霍夫電壓定律還可以表述為:對于電路中的任一回路,在任一瞬間,沿任意給定的繞行方向,該回路內各支路負載電壓降的總和恒等于各支路電源電壓升的總和。其數學表達式為

式中,ui為回路中各支路負載的電壓,以電壓“降”為正;us為回路中各支路電源的電動勢,以電壓“升”為正。注意:電源電動勢的方向是由電源負極指向正極的。圖2－33回路電壓正負的選定圖2－34例2－7圖

例2－8求圖2－35所示電路的電流和各元件功率以及a、b兩點的電壓Uab。圖2－35例2－8圖

解在電路中標出電流參考方向,并取電阻電壓與電流為關聯參考方向,如圖2－35所示。由KVL定律有

例2－9求圖2－36電路中兩個電阻上的電流和各元件的功率。圖2－36例2－9圖

例2－10如圖2－37所示電路,已知:US1=8V,IS=1/6U2,R1=2Ω,R2=3Ω,R3=4Ω,試求U2。圖2－37例2－10圖

解取順時針繞行方向,按圖中標出的電流、電壓參考方向對回路R2US1R1列KVL方程為

實訓任務6電壓和電流分配關系的認識

一、實訓器材雙輸出直流穩壓電源1臺;直流電壓表(或萬用表)1個;直流電流表1個;電流插座1個;電阻(330Ω、510Ω、1kΩ,均1W)5個。

二、實訓步驟

(1)按圖2－38接線,分別測量表2－5中各支路電流和各段電壓的數值,記入表2－7中。

圖2－38基爾霍夫定律實驗電路

(2)分析表2－7中的數據是否符合下列關系,通過分析我們能得到什么樣的結論?

練習題

2－1電流與電壓為關聯參考方向是指()。A.電流參考方向與電壓降參考方向一致B.電流參考方向與電壓升參考方向一致C.電流實際方向與電壓升實際方向一致D.電流實際方向與電壓降實際方向一致

2－2直流電路中,()。

A.感抗為0,容抗為無窮大

B.感抗為無窮大,容抗為0

C.感抗和容抗均為0

D.感抗和容抗均為無窮大

2－3在指定的電壓u和電流i的參考方向下,寫出下述各元件的ui關系:

(1)R=10kΩ(u、i為關聯參考方向);

(2)L=20mH(u、i為非關聯參考方向);

(3)C=10μF(u、i為關聯參考方向)。

2－4電路如圖2－39所示。已知Vc=12V,Vd=6V,R1=9kΩ,R2=3kΩ,R3=2kΩ,R4=4kΩ,求Uab。