《 城市軌道交通電工電子（第2版）》（課件） 項目2 直流電路

項目2直流電路CONTENTS1電路基本物理量2電路的基本元件3直流電路項目導(dǎo)讀

電路是電工技術(shù)和電子技術(shù)的基礎(chǔ)，根據(jù)通過電流性質(zhì)的不同，可分為直流電路和交流電路。由于在輔以適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具后，直流電路中的物理定律及分析方法也適用于正弦交流電路及其他線性電路，因此，直流電路是電路分析研究的基礎(chǔ)。

本項目將借助各種電工儀器和儀表，對電路的基本物理量和基本元件進行測量，并通過直流電路中的物理定律對直流電路進行分析和研究。知識目標(biāo)020103掌握電路基本物理量的測量、分析關(guān)系。掌握電路基本元件的測試方法。掌握直流電路常用的分析方法。能力目標(biāo)0201能夠測量電路基本物理量。能夠測量電路基本元件的伏安特性曲線。03能夠應(yīng)用常用的物理定律分析直流電路。思政目標(biāo)020103養(yǎng)成勇于探索、知難而進的創(chuàng)新精神。養(yǎng)成堅持不懈、刻苦鉆研的工作作風(fēng)。樹立科技成才、技能報國的人生理想。電路基本物理量任務(wù)2.1任務(wù)引入

為減輕乘客出行壓力，地鐵站通常會配有電動扶梯。在空載情況下，電動扶梯通常會以較低的速率運行；而在有乘客乘坐時，電動扶梯會提高運行速率，以便更快地將乘客送往目標(biāo)樓層。

電動扶梯之所以用不同的速率運行，是為了在向乘客提供正常服務(wù)的基礎(chǔ)上，盡可能地減少對功率的消耗。

那么究竟什么是功率呢？與功率有關(guān)的物理量又有哪些呢？01電路的組成電路是由電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié)等組成的閉合回路。2.1.1電路（1）電源：將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置。常見的電源有發(fā)電機、信號源、電池等。（2）負(fù)載：將電能轉(zhuǎn)變成其他形式能量的裝置，如電燈、空調(diào)、電動機等。（3）中間環(huán)節(jié)：連接電源和負(fù)載的導(dǎo)線、控制電路通斷的開關(guān)、檢測和保護電路的控制設(shè)備及儀器儀表等，統(tǒng)稱為中間環(huán)節(jié)。02電路的模型（a）實際電路（b）電路模型圖2-1手電筒的實際電路與電路模型2.1.1電路電路是由各類電磁特性復(fù)雜的元件組成的，為了便于分析，可將實際電路中的元件理想化（模型化），突出元件的主要電磁性質(zhì)，忽略其次要性質(zhì)，將其近似看作理想電路元件。例如，電阻、電感和電容等都是理想電路元件。由理想電路元件組成的電路稱為實際電路的電路模型。03電路的工作狀態(tài)2.1.1電路（1）開路：電源與負(fù)載之間未接成閉合回路，又稱斷路。（2）短路：電源未經(jīng)過任何負(fù)載而直接由導(dǎo)線連接形成閉合回路。（3）有載工作：電源與負(fù)載連成通路，電路中有電流存在。2.1.2電路的基本物理量1電流圖2-2電流的方向2.1.2電路的基本物理量2.1.2電路的基本物理量2電位與電壓

在電路中任選一點作為參考點（零電位點），則電場力把單位正電荷從某點移動到參考點所做的功稱為該點的電位，用V（單位為V）表示。2.1.2電路的基本物理量2.1.2電路的基本物理量3電動勢圖2-5電動勢2.1.2電路的基本物理量4電能與功率1）電能2.1.2電路的基本物理量4電能與功率

2）功率1．電壓表電壓表是測量電壓的儀器，有直流和交流之分，分別用于測量直流電壓和交流電壓，需并聯(lián)在被測電路兩端使用。如圖2-6所示為直流電壓表接線電路圖。測量直流電路時，需確保直流電壓表“

+”接線柱接被測電路的高電位端，“-”接線柱接被測電路的低電位端，否則直流電壓表會因指針反向偏轉(zhuǎn)而損壞2.1.3常用測量儀器圖2-6直流電壓表接線電路圖2．電流表電流表是測量電流的儀器，有直流和交流之分，可分別用于測量直流電流和交流電流，需串聯(lián)在被測電路中使用，如圖2-7所示。測量直流電路時，需確保電流從直流電流表“+”接線柱流入，“-”接線柱流出，否則直流電流表會因指針反向偏轉(zhuǎn)而損壞。2.1.3常用測量儀器圖2-7直流電流表接線電路圖3．兆歐表兆歐表是用來測量被測設(shè)備的絕緣電阻和高值電阻的儀器，根據(jù)操作方式的不同可分為手搖式和電動式等類型，根據(jù)顯示方式的不同可分為數(shù)字式和指針式兩大類。如圖2-8所示為ZC25型手搖式兆歐表，它由一個手搖發(fā)電機、表頭和三個接線柱組成（線路端L、接地端E、屏蔽端G）。2.1.3常用測量儀器圖2-8ZC25型手搖式兆歐表4．萬用表萬用表是一種多用途的便攜式電工儀表，可用于測量交直流電壓、交直流電流、電阻等多種物理量；亦可用于測量電容、電感及晶體管的某些特性；同時，還可用于檢測多種電子器件的好壞以及調(diào)試各種電子設(shè)備。根據(jù)顯示方式的不同，萬用表可分為指針式（模擬式）和數(shù)字式兩大類，如圖2-9所示。2.1.3常用測量儀器（a）MF-47指針式萬用表（b）KJ9205數(shù)字式萬用表圖2-9萬用表2.1.3常用測量儀器編號圖形示意編號圖形示意1已啟動相對測量9已選中占空比2高壓提示10已選中電阻或頻率3已選中通斷性11電容單位皮法、微法或法拉4已啟用“顯示保持”12電壓單位毫伏或伏特5已啟用最小值或最大值模式13直流電模式或交流電模式6已啟用LED測試14電流單位微安、毫安或安培7已選中華氏溫標(biāo)或攝氏溫標(biāo)15已啟用自動量程或手動量程8已選中二極管測試16電池電量不足，應(yīng)立即更換表2-1數(shù)字式萬用表圖形符號的功能說明任務(wù)實施Ⅰ----測量白熾燈的電壓和電流任務(wù)準(zhǔn)備實驗器材準(zhǔn)備：電壓表、電流表各1塊，直流電源1臺，白熾燈（12V、0.1A）1盞，開關(guān)1個，導(dǎo)線若干。實施步驟（1）根據(jù)圖2-1所示電路，將直流電源、開關(guān)、白熾燈連接起來，并保持開關(guān)斷開。（2）將電壓表按照圖2-6所示的連接方式，與白熾燈并聯(lián)。（3）將電流表按照圖2-7所示的連接方式，與白熾燈串聯(lián)。（4）閉合開關(guān)，讀取電壓表和電流表的示數(shù)，并將測量結(jié)果填入表2-2中。（5）重復(fù)完成以上電壓、電流測量三次，以三次測量結(jié)果的平均值為最終結(jié)果，填入表中。實施步驟測量項目電壓電流測量次數(shù)123123測量結(jié)果

最終結(jié)果

表2-2電壓、電流測量結(jié)果老師根據(jù)學(xué)生的實際表現(xiàn)情況進行評分，并將評分結(jié)果填入表2-3中。表2-3白熾燈的測量評分表任務(wù)評價序號內(nèi)容評分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯1處扣10分50分

3實施結(jié)果測量結(jié)果正確，否則每錯1處扣10分20分

4安全文明作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

任務(wù)實施Ⅱ----使用萬用表測量電壓、電流任務(wù)準(zhǔn)備實驗器材準(zhǔn)備：數(shù)字萬用表1塊，直流電源1臺，白熾燈（12V、0.1A）1盞，開關(guān)1個，導(dǎo)線若干。實施步驟（1）根據(jù)圖2-1所示電路，將直流電源、開關(guān)、白熾燈連接起來，并保持開關(guān)斷開。（2）測量直流電路電壓。（3）測量直流電路電流。測量項目電壓電流測量次數(shù)123123測量結(jié)果

最終結(jié)果

表2-4電壓、電流測量結(jié)果老師根據(jù)學(xué)生的實際表現(xiàn)情況進行評分，并將評分結(jié)果填入表2-3中。表2-3白熾燈的測量評分表任務(wù)評價序號內(nèi)容評分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯1處扣10分50分

3實施結(jié)果測量結(jié)果正確，否則每錯1處扣10分20分

4安全文明作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

電路的基本元件任務(wù)2.2任務(wù)引入在城市軌道交通系統(tǒng)的運輸過程中，為提高乘客舒適度，列車經(jīng)常會在氣溫較低時打開座位加熱器，升高座椅溫度，從而在寒冷的冬季為乘客帶來溫暖。在座位加熱器工作過程中，使溫度升高的主要元件是電阻，它可以在消耗電能的同時產(chǎn)生熱量，是生活中常見的電路基本元件。除電阻外，生活中還有哪些電路基本元件呢？它們又有哪些作用呢？伏安特性是指元件兩端的電壓與其通過電流之間的關(guān)系。根據(jù)伏安特性的不同，可將電阻分為線性電阻和非線性電阻兩種。01電阻的伏安特性2.2.1電阻2.2.1電阻圖2-12線性電阻圖2-13非線性電阻02電阻的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)2.2.1電阻1）電阻的串聯(lián)串聯(lián)是指將電路中的元件逐個順次首尾相連的連接方式。如圖2-14所示。圖2-14電阻的串聯(lián)電路2.2.1電阻2）電阻的并聯(lián)并聯(lián)是指將電路中的元件始端與始端、末端與末端并接在一起的連接方式。如圖2-15所示為電阻的并聯(lián)電路。圖2-15電阻的并聯(lián)電路2.2.1電阻3）電阻的混聯(lián)混聯(lián)是指電路中既有元件的串聯(lián)，又有元件的并聯(lián)。如圖2-16所示為兩種常見的混聯(lián)電路。（a）支路串聯(lián)，整體并聯(lián)（b）支路并聯(lián)，整體串聯(lián)圖2-16常見的混聯(lián)電路等效電路圖法為電阻混聯(lián)電路的常用分析方法，具體步驟詳見教材2.2.1電阻【例2-1】現(xiàn)有一電阻混聯(lián)電路如圖2-17所示，各電阻的阻值均為1Ω，試求A、B兩點之間的等效電阻。圖2-17電阻混聯(lián)電路例題2.2.1電阻圖2-18標(biāo)字母解（1）從A點至B點依次為各連接點標(biāo)上字母，如圖2-18所示。中間無電阻的連接點必須用同一字母表示。（2）將A、C、B三點沿一條直線依次排開，如圖2-19所示。（3）將原電路圖中的電阻填入相應(yīng)的連接點之間，如位于A、C兩點之間，位于A、B兩點之間，如圖2-20所示。圖2-18標(biāo)字母圖2-18標(biāo)字母2.2.1電阻電容能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為電場能儲存起來，是一種儲存電場能的元件，一般由兩塊金屬板間隔以不同的絕緣材料制成。電容在電路圖中的符號如圖2-21所示。圖2-21電容在電路圖中的符號2.2.2電容01電容的伏安特性2.2.2電容2.2.2電容02電容儲存的電場能03電容的串聯(lián)與并聯(lián)2.2.2電容1電容的串聯(lián)將電容依次首尾相連，且中間無任何分支的連接方式即為電容的串聯(lián)，如圖2-22所示為電容的串聯(lián)電路。圖2-22電容的串聯(lián)電路2.2.2電容2電容的并聯(lián)將電容的相同電極分別相連，接在兩個共同端點之間的連接方式稱為電容的并聯(lián)，如圖2-23所示為電容的并聯(lián)電路。2.2.2電容圖2-23電容的并聯(lián)電路電感能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為磁場能儲存起來，是一種儲存磁場能的元件，一般由導(dǎo)線繞制而成，如圖2-24（a）所示。電感在電路圖中的符號如圖2-24（b）所示。圖2-24電感2.2.3電感01電感的伏安特性設(shè)電感有N匝線圈，當(dāng)線圈通過電流i時，線圈內(nèi)部將產(chǎn)生磁通Φ。磁通與線圈匝數(shù)的乘積為磁通鏈，用Ψ表示，即。

在國際單位制中，磁通Φ與磁通鏈Ψ的單位都為韋伯（Wb）。2.2.3電感2.2.3電感02電感儲存的磁場能03電感的連接與耦合2.2.3電感1電感的串聯(lián)與并聯(lián)2.2.3電感2電感的耦合（a）順接串聯(lián)

（b）反接串聯(lián)圖2-25耦合電感的串聯(lián)示意圖2.2.3電感

（a）同側(cè)并聯(lián)

（b）異側(cè)并聯(lián)

圖2-26耦合電感的并聯(lián)示意圖01電壓源電壓源是指為電路提供一定電壓的電源。

如果電壓源內(nèi)阻為零，電壓源將提供一個恒定不變的電壓，其電流I由負(fù)載電阻R及輸出電壓U來確定，這樣的電壓源稱為理想電壓源（或恒壓源），其符號如圖2-27所示。2.2.4電源圖2-27理想電壓源的符號2.2.4電源圖2-28電壓源電路圖2-29實際電壓源和理想電壓源的外特性曲線02電流源電流源是指為電路提供一定電流的電源。如果電流源內(nèi)阻為無窮大，電流源將提供一個恒定、不隨外電路改變的電流，其電壓U由負(fù)載電阻R及輸出電流I來確定，這樣的電流源稱為理想電流源（或恒流源），其符號如圖2-30所示。實際上，電源內(nèi)阻不可能為無窮大，為了方便對電路進行分析和計算，可以認(rèn)為實際電流源是由理想電流源與內(nèi)阻并聯(lián)構(gòu)成的組合，如圖2-31所示。2.2.4電源圖2-30理想電流源的符號圖2-31電流源電路2.2.4電源圖2-32實際電流源和理想電流源的外特性曲線03電壓源和電流源的等效變換電壓源以輸出電壓的形式向外電路供電，電流源以輸出電流的形式向外電路供電。對外電路而言，電壓源和電流源可以進行等效變換，如圖2-33所示。2.2.4電源圖2-33電壓源和電流源的等效變換2.2.4電源圖2-34電源的電路模型例題2.2.4電源解任務(wù)實施----測試線性電阻的伏安特性任務(wù)準(zhǔn)備實驗器材準(zhǔn)備：直流電壓表、直流毫安表各1塊，直流電源1臺，線性電阻（1kΩ）1個，導(dǎo)線若干。實施步驟（1）根據(jù)圖2-35所示電路，將電源、電阻及各類電表連接起來。（2）調(diào)節(jié)電源電壓，使電壓表示數(shù)Ur為0V。（3）在電壓表示數(shù)分別為0V、2V、4V、6V、8V、10V時，將電流表示數(shù)I填入表2-6中。圖2-35線性電阻的伏安特性測試電路（4）根據(jù)測試結(jié)果，在方格紙上繪制出線性電阻的伏安特性曲線。Ur/V0246810I/mA

表2-6線性電阻的伏安特性測試結(jié)果老師根據(jù)學(xué)生的實際表現(xiàn)情況進行評分，并將評分結(jié)果填入表2-7中。表2-7線性電阻伏安特性的測試評分表任務(wù)評價序號內(nèi)容評分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯1處扣10分25分

3實施結(jié)果表2-6中的測量結(jié)果正確，否則每錯1處扣5分；伏安特性曲線繪制正確，否則根據(jù)錯誤情況扣5～15分45分

4安全文明作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

總分

直流電路任務(wù)2.3任務(wù)引入對于簡單的直流電路，可通過等效變換來化簡，然后使用歐姆定律和必要的測量手段即可對其進行分析；而對于那些不能通過等效變換化簡的復(fù)雜電路，這些分析方法是遠遠不夠的。在分析復(fù)雜電路，尤其是多條支路、多個電源組成的電路時，應(yīng)采取什么樣的方法呢？這些方法分別能解決什么樣的問題呢？2.3.1基爾霍夫定律基爾霍夫定律是電路理論中最重要的定律之一，包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL）。支路一個或幾個二端元件首尾相接，中間沒有分岔的電路稱為支路。節(jié)點三條或三條以上支路的連接點稱為節(jié)點。回路電路中的任意閉合路徑稱為回路。網(wǎng)孔內(nèi)部不包含其他支路的回路稱為網(wǎng)孔。圖2-36電路舉例1基本概念2基爾霍夫電流定律2.3.1基爾霍夫定律3基爾霍夫電壓定律2.3.1基爾霍夫定律2.3.1基爾霍夫定律圖2-40直流電路例題2.3.1基爾霍夫定律解1設(shè)定各支路電流的參考方向及回路繞行方向。2應(yīng)用基爾霍夫電流定律列出節(jié)點電流方程。2.3.2支路電流法支路電流法是指根據(jù)基爾霍夫定律，分別對節(jié)點和回路列出相關(guān)方程并進行求解，從而解出支路電流的電路分析方法。其具體求解步驟如下。3應(yīng)用基爾霍夫電壓定律列出回路電壓方程，應(yīng)優(yōu)先選擇獨立回路。4將已知數(shù)代入方程，求解各支路電流。5確定各支路電流的方向。2.3.2支路電流法圖2-41復(fù)雜直流電路例題2.3.2支路電流法解應(yīng)用疊加定理求解電路的具體步驟如下：（1）在原電路中設(shè)定各支路電流的參考方向、各回路的繞行方向。2.3.3疊加定理疊加定理認(rèn)為：在多個電源作用下的線性電路中，任何一個支路中的電流（或電壓）等于各電源單獨作用時，該支路上的電流（或電壓）的代數(shù)和。（2）將原電路分解為各電源單獨作用的分電路。（3）計算每個分電路中相應(yīng)支路電流及電壓的分量。（4）將各電流及電壓的分量分別進行疊加，求出原電路中各支路的電流及電壓。2.3.3疊加定理（a）

（b）

（c）圖2-43線性電路例題2.3.3疊加定理解應(yīng)用戴維南定理求解電路的步驟詳見教材p542.3.4戴維南定理戴維南定理認(rèn)為：對外電路而言，線性有源二端網(wǎng)絡(luò)都可以用一個理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)的電壓源來等效代替，如圖2-44所示。圖2-44有源二端網(wǎng)絡(luò)2.3.4戴維南定理（a）

（b）

（c）

（d）圖2-46復(fù)雜線性電路例題2.3.4戴維南定理解任務(wù)實施Ⅰ----驗證基爾霍夫定律和疊加原理任務(wù)準(zhǔn)備實驗器材準(zhǔn)備：直流電壓表、直流毫安表各1塊，DG05試驗掛箱（或其他同類型試驗掛箱）1個，直流電源1臺，導(dǎo)線若干。

實施步驟根據(jù)圖2-47所示電路，將各類實驗器材連接起來。圖2-47基爾霍夫定律和疊加原理的驗證電路詳細(xì)步驟見教材p57表2-11基爾霍夫定律和疊加定理的驗證評分表任務(wù)評價老師根據(jù)學(xué)生的實際表現(xiàn)情況進行評分，并將評分結(jié)果填入表2-11中。序號內(nèi)容評分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動思考并積極參與討論，否則酌情扣分20