【例2-1】如图2-2所示,当单刀双掷开关S合到位置1时,外电路的电阻R1=14Ω,测得电流表读数I1=0.2A;当开关S合到位置2时,外电路的电阻R2=9Ω,测得电流表读数I2=0.3A;试求电源的电动势E及其内阻r。
解:
根据闭合电路的欧姆定律,列出联立方程组
解得:
r=1Ω,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2-4例题2-2
解:
将(R1+r)视为电源的内阻,则RP=R1+r=2.5Ω时,RP获得最大功率
第二节 电池组
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
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。
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
一、电阻串联电路的特点
图2-7电阻的串联
设总电压为U、电流为I、总功率为P。
1.等效电阻:
R=R1+R2+…+Rn
2.分压关系:
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
图2-8例题2-3
解:
将电灯(设电阻为R1)与一只分压电阻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=U-U1=220-40=180V,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36Ω分压电阻串联后,接入U=220V电源上即可。
【例2-4】有一只电流表,内阻Rg=1kΩ,满偏电流为Ig=100μA,要把它改成量程为Un=3V的电压表,应该串联一只多大的分压电阻R?
图2-9例题2-4
解:
如图2-9所示。
该电流表的电压量程为Ug=RgIg=0.1V,与分压电阻R串联后的总电压Un=3V,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。
第四节 电阻的并联
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。
图2-10电阻的并联
1.等效电导:
G=G1+G2+…+Gn即
2.分流关系:
R1I1=R2I2=…=RnIn=RI=U
3.功率分配:
R1P1=R2P2=…=RnPn=RP=U2
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
【例2-5】如图2-11所示,电源供电电压U=220V,每根输电导线的电阻均为R1=1Ω,电路中一共并联100盏额定电压220V、功率40W的电灯。
假设电灯在工作(发光)时电阻值为常数。
试求:
(1)当只有10盏电灯工作时,每盏电灯的电压UL和功率PL;
(2)当100盏电灯全部工作时,每盏电灯的电压UL和功率PL。
解:
每盏电灯的电阻为R=U2/P=1210Ω,n盏电灯并联后的等效电阻为Rn=R/n
图2-11例题2-5
根据分压公式,可得每盏电灯的电压
,
功率
(1)当只有10盏电灯工作时,即n=10,
则Rn=R/n=121Ω,因此
(2)当100盏电灯全部工作时,即n=100,则Rn=R/n=12.1Ω,
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In,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、分析步骤
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:
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
【例2-7】如图2-13所示,已知R1=R2=8Ω,R3=R4=6Ω,R5=R6=4Ω,R7=R8=24Ω,R9=16Ω;电压U=224V。
试求:
(1)电路总的等效电阻RAB与总电流I∑;
(2)电阻R9两端的电压U9与通过它的电流I9。
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=24Ω∥24Ω=12Ω
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=24Ω∥24Ω=12Ω
总的等效电阻RAB=R1+RCD+R2=28Ω
总电流I∑=U/RAB=224/28=8A
(2)
图2-13例题2-7
利用分压关系求各部分电压:
UCD=RCDI∑=96V,
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=2.5Ω
根据全电路欧姆定律,电路中的总电流为
第六节 万用电表的基本原理
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β值等。
二、万用表的基本原理
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。
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。
1.直流电压的测量
图2-16简单的直流电压表
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。
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。
解:
利用电压表扩大量程公式R=(n-1)Rg,其中n=(Un/Ug),Ug=RgIg=0.15V。
(1)求R1:
n1=(U1/Ug)=16.67,R1=(n-1)Rg=47kΩ
(2)求R2:
把Rg2=Rg+R1=50kΩ视为表头内阻,n2=(U2/U1)=4,则
R2=(n-1)Rg2=150kΩ
(3)求R3:
把Rg3=Rg+R1+R2=200kΩ
视为表头内阻,n3=(U3/U2)=5,则
图2-17例题2-9
R3=(n-1)Rg3=800kΩ
(4)求R4:
把Rg4=Rg+R1+R2+R3=1000kΩ
视为表头内阻,n4=(U4/U3)=5,则
R4=(n-1)Rg4=4000kΩ=4MΩ
(5)求R5:
把Rg5=Rg+R1+R2+R3+R4=5MΩ
视为表头内阻,n5=(U5/U4)=2,则
R5=(n-1)Rg5=5MΩ
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
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。
3.电阻的测量
万用表测量电阻(即欧姆表)的电路如图2-20所示。
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
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