《電工電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程》 課件 4 直流電路中基本元件的認(rèn)識(shí)與測(cè)量

返回主目錄任務(wù)4直流電路中基本元件的認(rèn)識(shí)與測(cè)量1、認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)單電路的基本結(jié)構(gòu)。2、理解電路元件的伏安特性，認(rèn)識(shí)電阻器、電感器

和電容器。3、掌握電阻器、電感器和電容器的識(shí)別與測(cè)量方法。知識(shí)要點(diǎn)一、簡(jiǎn)單直流電路的認(rèn)識(shí)觀察手電筒的電路結(jié)構(gòu)圖。電路由哪幾部分組成呢？電路的各個(gè)組成部分起什么作用呢?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(shè)備和元器件按一定方式連接而組成的。手電筒的實(shí)際電路由電池、燈泡、開關(guān)和金屬連片組成。當(dāng)將手電筒的開關(guān)接通時(shí)，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(fā)光，這時(shí)電能轉(zhuǎn)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(fù)載；金屬連片相當(dāng)于導(dǎo)線，它和開關(guān)將電源與負(fù)載連接起來，起傳輸和控制作用，稱為中間環(huán)節(jié)。由此可知：一個(gè)完整的電路由電源、負(fù)載、中間環(huán)節(jié)（包括開關(guān)和導(dǎo)線等）三部分按一定方式組合而成。（2）電路的功能在通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、電力等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，按各自的實(shí)際要求通過各種元器件和電氣設(shè)備，組成了各種千差萬別的電路。但就其實(shí)質(zhì)而言其功能可概括為兩個(gè)方面：①能量的傳送、分配與轉(zhuǎn)換：例如，電力系統(tǒng)中的輸電線路。發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能，通過變電站、輸電線路傳送分配到用電單位，再通過負(fù)載把電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，為社會(huì)生產(chǎn)與人們生活服務(wù)。②實(shí)現(xiàn)信息的傳遞與處理：通過將輸入的電信號(hào)進(jìn)行傳送、轉(zhuǎn)換或加工處理，使之成為滿足一定要求的輸出信號(hào)。例如載有音像、文字信息的電磁波即為電視機(jī)電路的輸入信號(hào)，此電磁波信號(hào)通過天線收進(jìn)電路并處理后送到顯像管、揚(yáng)聲器，還原成音像，被人們看見、聽到的即為電視機(jī)的輸出信號(hào)。圖4-1手電筒電路電路按工作頻率的不同可分為低頻（包括直流）電路和高頻電路。高頻電路本書不做研究，本書只研究低頻和直流電路，又稱集總參數(shù)電路，高頻電路屬于分布參數(shù)電路。2．理想電路元件

實(shí)際電路種類繁多，用途各異，組成電路的元器件以及它們?cè)诠ぷ鬟^程中發(fā)生的物理現(xiàn)象也形形色色。但從能量的角度來看，電路在工作過程中存在三種電磁特性：電能的消耗、電能與電場(chǎng)能的轉(zhuǎn)換、電能與磁場(chǎng)能的轉(zhuǎn)換。在電路中一個(gè)實(shí)際電路器件往往具有兩種或兩種以上電磁特性，同時(shí)存在幾種能量形式。例如，一個(gè)白熾燈，當(dāng)有電流通過時(shí)，它消耗電能，表現(xiàn)為電阻的性質(zhì)；同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，將電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能，因而兼有電感的性質(zhì)；此外，電流還會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，將電能轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能，所以具有電容性質(zhì)。如果在進(jìn)行電路分析時(shí)將每個(gè)電路器件的電磁特性全部考慮進(jìn)去，將會(huì)使電路的分析變得十分煩瑣，甚至難以進(jìn)行。為了分析的方便，借助于抽象的概念——理想電路元件（簡(jiǎn)稱電路元件）。理想電路元件就是具有某種確定的電或磁性質(zhì)的假想元件。每一種理想電路元件只具有一種物理現(xiàn)象或性質(zhì)，它們或它們的組合可以反映出實(shí)際電路器件的電磁性質(zhì)和電路的電磁現(xiàn)象。表示電路中消耗電能的元件稱為電阻元件。如電燈、電爐、電阻器等實(shí)際器件均可用電阻元件作為模型。具有儲(chǔ)存和釋放磁場(chǎng)能量性質(zhì)的元件稱為電感元件，如日光燈中的鎮(zhèn)流器、電動(dòng)機(jī)中定子線圈等可用電感元件作模型。具有儲(chǔ)存和釋放電場(chǎng)能量性質(zhì)的元件稱為電容元件，各種電容器都可用電容元件作為模型。三種電路元件的電路圖形符號(hào)如圖4-2所示。圖4-2三種理想電路元件的符號(hào)理想元件性質(zhì)單一，可以用數(shù)學(xué)式子精確描述它的性質(zhì)，因而可以方便地建立電路元件組成的電路模型的數(shù)學(xué)關(guān)系式，用數(shù)學(xué)的方法來分析計(jì)算電路，從而掌握電路的特性。3．電路模型

對(duì)于實(shí)際電路的研究一般可采取兩種方法：一是測(cè)量法，用各種儀表對(duì)電路的各種物理量進(jìn)行測(cè)試來研究電路的工作情況；另一種方法是分析法，根據(jù)實(shí)際的電路把它抽象成電路模型，通過分析計(jì)算來進(jìn)行研究。電路模型就是用理想電路元件或它們的組合通過一定的連接來模擬實(shí)際電路的特性所構(gòu)成的實(shí)際電路的模型（簡(jiǎn)稱電路）。今后本書所說電路均指由電路元件構(gòu)成的電路模型。例如圖4-1（b）所示電路就是實(shí)際手電筒電路的模型。一個(gè)實(shí)際電感器，如圖4-3（a）所示，在直流情況下，其模型可以是一個(gè)電阻元件，如圖4-3（b）所示；在較低頻率下，就要用電阻元件和電感元件的串聯(lián)組合模擬，如圖4-3（c）所示；在較高頻率下，還應(yīng)又要考慮到導(dǎo)體表面的電荷作用，即電容效應(yīng)，所以其模型還需包含電容元件，如圖4-3（d）所示。二、直流電路基本元件的特性1．電阻（1）電阻的實(shí)質(zhì)電阻元件（又稱電阻器）是反映電路器件消耗電能這一物理性能的理想元件。常將電阻元件簡(jiǎn)稱電阻。（2）電阻元件的伏安關(guān)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。圖4-4中的電阻電壓、電流為關(guān)聯(lián)參考方向，其伏安關(guān)系為u=iR

（4-1a）在直流電路中U=IR圖4-3實(shí)際電感器在不同條件下的模型在圖4-5所示的電壓、電流非關(guān)聯(lián)參考方向下，伏安關(guān)系應(yīng)寫成u=-iR

（4-1b）電阻元件有線性電阻元件和非線性電阻元件之分。在任何時(shí)刻，兩端電壓與流過的電流之間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(diǎn)的一條直線，如圖4-6所示。而非線性電阻元件的伏安特性依元件的不同而各不相同。在國(guó)際單位制中，電阻的單位為歐姆（Ω），簡(jiǎn)稱歐。電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)G，單位為西門子（S），簡(jiǎn)稱西。（4-2）當(dāng)電路中a、b兩端的電阻R=0時(shí)，稱a、b兩點(diǎn)短路；而當(dāng)電路中a、b兩端的電阻R→∞時(shí)，稱a、b兩點(diǎn)開路。圖4-4關(guān)聯(lián)參考方向圖4-5非關(guān)聯(lián)參考方向圖4-6線性電阻的伏安特性（2）電阻元件上的功率根據(jù)公式可知，在圖4-4所示的電壓、電流關(guān)聯(lián)參考方向下，電阻R上的功率為：

可見，p≥0，即電阻元件總是消耗（或吸收）功率。（3）電阻器實(shí)際上，電阻器和電阻是兩個(gè)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(shí)際的電路器件，只有在一定的電壓、電流和功率范圍內(nèi)才能正常工作。電子設(shè)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(chǎn)制造時(shí)，除注明標(biāo)稱電阻值（如100

Ω、10

kΩ等），還要標(biāo)注額定功率值（如1/8

W、1/4

W、1/2

W、1

W、2

W、5

W等），以便用戶使用時(shí)參考。常用電阻元件的外形與圖形符號(hào)如圖4-7所示。

圖4-7常用電阻元件的外形與圖形符號(hào)在一般情況下，電阻器的實(shí)際工作電壓、電流和功率均應(yīng)小于其額定電壓、電流和功率值。當(dāng)電阻器消耗的功率超過額定功率過多或超過雖不多但時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，電阻器會(huì)因發(fā)熱而溫度過高，使電阻器燒焦變色甚至斷開而產(chǎn)生電路故障。2．電感與電感元件（1）電感元件的實(shí)質(zhì)電感元件（又稱電感器）的基本結(jié)構(gòu)是把一段導(dǎo)電良好的金屬導(dǎo)線繞在一個(gè)骨架上（也可以是鐵心）形成一個(gè)線圈，再外加屏蔽罩組成。電感元件是實(shí)際電感器的理想化模型，它是反映電路器件儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量這一物理性能的理想元件。通常將電感元件簡(jiǎn)稱為電感，它也是表征材料（或器件）儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的一種參數(shù)。如圖4-8所示，一個(gè)電感線圈，當(dāng)電流i通過后，會(huì)產(chǎn)生磁通ΦL，若磁通ΦL與N匝線圈相交鏈，則線圈的磁鏈為ΨL=NΦL對(duì)于線性電感而言，磁鏈與線圈中電流的比值是一個(gè)常數(shù)，用

L來表示為ΨL=Li

（4-4）電感器的文字符號(hào)用大寫字母L表示。電感的單位是亨利（H），簡(jiǎn)稱亨，常用的單位還有毫亨（mH）、微亨（μH）。它們之間的換算關(guān)系為1H=103mH=106μH（2）電感元件的伏安關(guān)系圖4-9所示為電感元件的圖形符號(hào)，在圖示的電壓、電流關(guān)聯(lián)參考方向下，其端鈕伏安關(guān)系為在穩(wěn)定的直流電路中，電流i=I不隨時(shí)間變化，所以。即電感元件在直流電路中相當(dāng)于短路。電感元件中的電流iL不能躍變，電感在直流電路中不消耗功率

圖4-8電感線圈圖4-9電感元件的圖形符號(hào)（3）電感器的分類常見電感器的外形和圖形符號(hào)如圖4-10所示。理想化的電感元件只有儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的性質(zhì)，其兩端電壓和流過的電流沒有限制。在實(shí)際電路中使用的電感線圈類型很多，電感的范圍也很大，從幾微亨到幾亨都有。實(shí)際的電感線圈可以用一個(gè)理想電感或一個(gè)理想電感與理想電阻的串聯(lián)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(lián)一個(gè)電容器來構(gòu)成線圈的電路模型，如圖4-11所示。在實(shí)際的電感器上除了標(biāo)明其電感值外，還標(biāo)明了它的額定電流。圖4-10常見電感器的外形和圖形符號(hào)3．電容與電容元件（1）電容器的實(shí)質(zhì)電容器的基本結(jié)構(gòu)是用絕緣介質(zhì)把兩塊金屬極板中間充滿絕緣介質(zhì)隔開，就構(gòu)成電容器，其兩塊金屬板稱為電容器的極板，其上引出的金屬導(dǎo)線作為接線端子。在外電源作用下，兩塊極板上能分別儲(chǔ)存等量的異性電荷，并在介質(zhì)中形成電場(chǎng)。當(dāng)外電源撤走后，兩極板上的電荷能長(zhǎng)久地儲(chǔ)存。并在電荷所建立的電場(chǎng)中，儲(chǔ)存著能量，因此我們可以說電容器是一種能夠儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的部件。電容元件是實(shí)際電容器的理想化模型，它是反映電路器件儲(chǔ)存電場(chǎng)能量這一物理性能的理想元件。我們常將電容元件簡(jiǎn)稱電容，它也是表征材料（或器件）儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的一種參數(shù)。

圖4-11電感器的幾種電路模型（2）電容元件的伏安關(guān)系圖4-12所示為電容元件的圖形符號(hào)，其文字符號(hào)表示為C。在國(guó)際單位制中，電容C的單位是為法拉，簡(jiǎn)稱法，用Ｆ表示。有時(shí)也用微法（μF）、皮法（pF）等表示。其關(guān)系為1

F=106μF=1012

pF電容元件上的電容量與電容器存儲(chǔ)的電荷量q和它兩端的電壓uC的關(guān)系為q=Cuc

（4-6）由此可知，當(dāng)電容兩端的電壓升高時(shí)，其儲(chǔ)存的電荷量增加,這一過程稱為充電；電壓降低時(shí)，電荷量減少，這一過程稱為放電。電容在充放電過程中，它所儲(chǔ)存的電荷隨時(shí)間而變化。在電路分析中，我們感興趣的往往是元件的VAR，當(dāng)u、i采用關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，根據(jù)電流強(qiáng)度的定義圖4-12電容元件圖形符號(hào)將式（4-6）代人可得（4-7）在穩(wěn)定的直流電路中，電容的端電壓為一個(gè)常數(shù)，因此，流經(jīng)電容的電流，電容相當(dāng)于開路。所以稱電容有隔斷直流的作用，電容兩端的電壓不能躍變，電容在直流電路中不消耗功率。（3）常見的電容器常用電容元件的外形與圖形符號(hào)如圖4-13所示。在實(shí)際電容器的電路模型中，除了電容之外，有時(shí)還應(yīng)并聯(lián)一個(gè)電阻元件。另外，電容器上除了標(biāo)明其電容外，還標(biāo)明它的額定工作電壓，以供用戶選用。因?yàn)槊總€(gè)電容器能夠承受的電壓是有限的，電壓過高，介質(zhì)將被擊穿，從而喪失了電容器的作用。還有，電解電容器的兩個(gè)極板是有正負(fù)極性的，所以電解電容器還標(biāo)出了其負(fù)極，實(shí)際使用時(shí)兩個(gè)電極不可用反。否則，電容器也將被擊穿。圖4-13常見電容器的外形和圖形符號(hào)二、相關(guān)知識(shí)1．電阻器的標(biāo)注和測(cè)量方法（1）電阻器的標(biāo)注方法不同電阻器的標(biāo)注方法如圖4-14所示。允許誤差是指電阻器的實(shí)際阻值對(duì)于標(biāo)稱阻值的允許最大誤差范圍。額定功率是指在規(guī)定的環(huán)境溫度中允許電阻器承受的最大功率。圖4-14標(biāo)稱阻值的標(biāo)注方法（2）用萬用表的歐姆擋直接測(cè)量先估計(jì)被測(cè)電阻的大小，選擇適當(dāng)?shù)牧肯?，將萬用表轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到電阻的相應(yīng)擋位上，被測(cè)電阻的值應(yīng)盡量接近這一擋位的中心電阻值，讀數(shù)時(shí)誤差較小。（3）用伏安法進(jìn)行測(cè)量根據(jù)歐姆定律U=IR，只要用電壓表測(cè)出電阻兩端的電壓，用電流表測(cè)出通過電阻的電流，就可以求出電阻值，這就是測(cè)量電阻的伏安法，如圖4-15所示。圖4-15用伏安法測(cè)電阻要注意的是，圖4-15（a）所示的測(cè)量電路實(shí)際測(cè)量的電阻是電流表的內(nèi)阻和被測(cè)電阻的串聯(lián)值，而圖4-15（b）所示的測(cè)量電路實(shí)際測(cè)得的電阻是電壓表的內(nèi)阻和被測(cè)電阻的并聯(lián)值。一般情況下，如果待測(cè)電阻的阻值比電流表的內(nèi)阻大得多，則采用電壓表外接法，由

圖4-16直流單電橋原理圖電流表的分壓而引起的誤差就小。如果待測(cè)電阻的阻值比電壓表的內(nèi)阻小得多，則采用電壓表內(nèi)接法，由電壓表的分流而引起的誤差就小。（4）用直流單電橋（惠斯通電橋）法進(jìn)行測(cè)量如圖4-16所示，是直流單電橋的原理圖。由四個(gè)橋臂R1、R2、R3、R4和直流電源以及檢流計(jì)G組成，其中R1為被測(cè)電阻。通過調(diào)節(jié)已知的可調(diào)電阻R2、R3、R4使檢流計(jì)G的電流為0，則表明檢流計(jì)兩端電位相同，則有I1=I2，I3=I4。原理圖R1和R3的電壓降相等，R2和R4上的電壓降相等，所以有R1I1=R3I3R2I2=R4I4得

R1=

（4-8）由于R2、R3、R4都是已知的，由上式可得出R1。這種測(cè)量方法的準(zhǔn)確度較高，其準(zhǔn)確度在檢流計(jì)的靈敏度足夠高的情況下，與電源無關(guān)，僅由標(biāo)準(zhǔn)電阻的準(zhǔn)確度決定。

（5）高阻值電阻器的測(cè)量對(duì)電動(dòng)機(jī)線圈和外殼之間的絕緣電阻器以及其他高阻值電阻器一般常用兆歐表測(cè)量。兆歐表構(gòu)造如圖4-17所示。圖4-17兆歐表的構(gòu)造2．電容器的測(cè)量電容器常見故障有斷路、短路、漏電等，可用萬用表來進(jìn)行其好壞判斷。電容器漏電電阻的測(cè)量：把兩表筆分別接到電容器的兩引腳，將萬用表轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到歐姆擋（R×10

k或R×1

k擋），可以看到萬用表指針先擺向零，然后慢慢反向退回到無窮大附近。當(dāng)指針穩(wěn)定后所指示值即為該電容器的漏電電阻。若指針離無窮大較遠(yuǎn)，表明電容器漏電嚴(yán)重，此電容器不能使用。電容器斷路的測(cè)量：對(duì)于0.01

μF以上的電容器可以用萬用表進(jìn)行測(cè)量，但必須根據(jù)電容器容量的大小，選取合適量程才能正確判斷。如測(cè)量0.01~0.47

μF的電容器用（R×10

k）擋；測(cè)0.47~10

μF的電容器用R×1

k擋；測(cè)10~300

μF電容器用R×100擋；測(cè)300

μF以上電容器可用R×10或R×1擋。具體測(cè)量時(shí)用萬用表的兩表筆分別接到電容器的兩引腳，如表針不動(dòng)，將表筆對(duì)調(diào)后再測(cè)量，表筆仍不動(dòng)，說明電容器已斷路。對(duì)于0.01

μF以下的小電容，用萬用表不能判斷其是否斷路，只能用其他儀表進(jìn)行鑒別（如高頻Q表

等）。③電容器短路測(cè)量：用萬用表的R×1擋將兩表筆分別接電容器的兩引腳，如指示值很小或?yàn)榱悖抑羔槻环祷?，說明電容器已被擊穿，不能使用。3.電感器的好壞判斷及大小判別實(shí)際中使用電感器，常見的