《 城市轨道交通电工电子（第2版）》（课件） 项目2 直流电路

项目2直流电路CONTENTS1电路基本物理量2电路的基本元件3直流电路项目导读

电路是电工技术和电子技术的基础，根据通过电流性质的不同，可分为直流电路和交流电路。由于在辅以适当的数学工具后，直流电路中的物理定律及分析方法也适用于正弦交流电路及其他线性电路，因此，直流电路是电路分析研究的基础。

本项目将借助各种电工仪器和仪表，对电路的基本物理量和基本元件进行测量，并通过直流电路中的物理定律对直流电路进行分析和研究。知识目标020103掌握电路基本物理量的测量、分析关系。掌握电路基本元件的测试方法。掌握直流电路常用的分析方法。能力目标0201能够测量电路基本物理量。能够测量电路基本元件的伏安特性曲线。03能够应用常用的物理定律分析直流电路。思政目标020103养成勇于探索、知难而进的创新精神。养成坚持不懈、刻苦钻研的工作作风。树立科技成才、技能报国的人生理想。电路基本物理量任务2.1任务引入

为减轻乘客出行压力，地铁站通常会配有电动扶梯。在空载情况下，电动扶梯通常会以较低的速率运行；而在有乘客乘坐时，电动扶梯会提高运行速率，以便更快地将乘客送往目标楼层。

电动扶梯之所以用不同的速率运行，是为了在向乘客提供正常服务的基础上，尽可能地减少对功率的消耗。

那么究竟什么是功率呢？与功率有关的物理量又有哪些呢？01电路的组成电路是由电源、负载、中间环节等组成的闭合回路。2.1.1电路（1）电源：将其他形式的能量转换成电能的装置。常见的电源有发电机、信号源、电池等。（2）负载：将电能转变成其他形式能量的装置，如电灯、空调、电动机等。（3）中间环节：连接电源和负载的导线、控制电路通断的开关、检测和保护电路的控制设备及仪器仪表等，统称为中间环节。02电路的模型（a）实际电路（b）电路模型图2-1手电筒的实际电路与电路模型2.1.1电路电路是由各类电磁特性复杂的元件组成的，为了便于分析，可将实际电路中的元件理想化（模型化），突出元件的主要电磁性质，忽略其次要性质，将其近似看作理想电路元件。例如，电阻、电感和电容等都是理想电路元件。由理想电路元件组成的电路称为实际电路的电路模型。03电路的工作状态2.1.1电路（1）开路：电源与负载之间未接成闭合回路，又称断路。（2）短路：电源未经过任何负载而直接由导线连接形成闭合回路。（3）有载工作：电源与负载连成通路，电路中有电流存在。2.1.2电路的基本物理量1电流图2-2电流的方向2.1.2电路的基本物理量2.1.2电路的基本物理量2电位与电压

在电路中任选一点作为参考点（零电位点），则电场力把单位正电荷从某点移动到参考点所做的功称为该点的电位，用V（单位为V）表示。2.1.2电路的基本物理量2.1.2电路的基本物理量3电动势图2-5电动势2.1.2电路的基本物理量4电能与功率1）电能2.1.2电路的基本物理量4电能与功率

2）功率1．电压表电压表是测量电压的仪器，有直流和交流之分，分别用于测量直流电压和交流电压，需并联在被测电路两端使用。如图2-6所示为直流电压表接线电路图。测量直流电路时，需确保直流电压表“

+”接线柱接被测电路的高电位端，“-”接线柱接被测电路的低电位端，否则直流电压表会因指针反向偏转而损坏2.1.3常用测量仪器图2-6直流电压表接线电路图2．电流表电流表是测量电流的仪器，有直流和交流之分，可分别用于测量直流电流和交流电流，需串联在被测电路中使用，如图2-7所示。测量直流电路时，需确保电流从直流电流表“+”接线柱流入，“-”接线柱流出，否则直流电流表会因指针反向偏转而损坏。2.1.3常用测量仪器图2-7直流电流表接线电路图3．兆欧表兆欧表是用来测量被测设备的绝缘电阻和高值电阻的仪器，根据操作方式的不同可分为手摇式和电动式等类型，根据显示方式的不同可分为数字式和指针式两大类。如图2-8所示为ZC25型手摇式兆欧表，它由一个手摇发电机、表头和三个接线柱组成（线路端L、接地端E、屏蔽端G）。2.1.3常用测量仪器图2-8ZC25型手摇式兆欧表4．万用表万用表是一种多用途的便携式电工仪表，可用于测量交直流电压、交直流电流、电阻等多种物理量；亦可用于测量电容、电感及晶体管的某些特性；同时，还可用于检测多种电子器件的好坏以及调试各种电子设备。根据显示方式的不同，万用表可分为指针式（模拟式）和数字式两大类，如图2-9所示。2.1.3常用测量仪器（a）MF-47指针式万用表（b）KJ9205数字式万用表图2-9万用表2.1.3常用测量仪器编号图形示意编号图形示意1已启动相对测量9已选中占空比2高压提示10已选中电阻或频率3已选中通断性11电容单位皮法、微法或法拉4已启用“显示保持”12电压单位毫伏或伏特5已启用最小值或最大值模式13直流电模式或交流电模式6已启用LED测试14电流单位微安、毫安或安培7已选中华氏温标或摄氏温标15已启用自动量程或手动量程8已选中二极管测试16电池电量不足，应立即更换表2-1数字式万用表图形符号的功能说明任务实施Ⅰ----测量白炽灯的电压和电流任务准备实验器材准备：电压表、电流表各1块，直流电源1台，白炽灯（12V、0.1A）1盏，开关1个，导线若干。实施步骤（1）根据图2-1所示电路，将直流电源、开关、白炽灯连接起来，并保持开关断开。（2）将电压表按照图2-6所示的连接方式，与白炽灯并联。（3）将电流表按照图2-7所示的连接方式，与白炽灯串联。（4）闭合开关，读取电压表和电流表的示数，并将测量结果填入表2-2中。（5）重复完成以上电压、电流测量三次，以三次测量结果的平均值为最终结果，填入表中。实施步骤测量项目电压电流测量次数123123测量结果

最终结果

表2-2电压、电流测量结果老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表2-3中。表2-3白炽灯的测量评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确连接电路，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣10分50分

3实施结果测量结果正确，否则每错1处扣10分20分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

任务实施Ⅱ----使用万用表测量电压、电流任务准备实验器材准备：数字万用表1块，直流电源1台，白炽灯（12V、0.1A）1盏，开关1个，导线若干。实施步骤（1）根据图2-1所示电路，将直流电源、开关、白炽灯连接起来，并保持开关断开。（2）测量直流电路电压。（3）测量直流电路电流。测量项目电压电流测量次数123123测量结果

最终结果

表2-4电压、电流测量结果老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表2-3中。表2-3白炽灯的测量评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确连接电路，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣10分50分

3实施结果测量结果正确，否则每错1处扣10分20分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

电路的基本元件任务2.2任务引入在城市轨道交通系统的运输过程中，为提高乘客舒适度，列车经常会在气温较低时打开座位加热器，升高座椅温度，从而在寒冷的冬季为乘客带来温暖。在座位加热器工作过程中，使温度升高的主要元件是电阻，它可以在消耗电能的同时产生热量，是生活中常见的电路基本元件。除电阻外，生活中还有哪些电路基本元件呢？它们又有哪些作用呢？伏安特性是指元件两端的电压与其通过电流之间的关系。根据伏安特性的不同，可将电阻分为线性电阻和非线性电阻两种。01电阻的伏安特性2.2.1电阻2.2.1电阻图2-12线性电阻图2-13非线性电阻02电阻的串联、并联和混联2.2.1电阻1）电阻的串联串联是指将电路中的元件逐个顺次首尾相连的连接方式。如图2-14所示。图2-14电阻的串联电路2.2.1电阻2）电阻的并联并联是指将电路中的元件始端与始端、末端与末端并接在一起的连接方式。如图2-15所示为电阻的并联电路。图2-15电阻的并联电路2.2.1电阻3）电阻的混联混联是指电路中既有元件的串联，又有元件的并联。如图2-16所示为两种常见的混联电路。（a）支路串联，整体并联（b）支路并联，整体串联图2-16常见的混联电路等效电路图法为电阻混联电路的常用分析方法，具体步骤详见教材2.2.1电阻【例2-1】现有一电阻混联电路如图2-17所示，各电阻的阻值均为1Ω，试求A、B两点之间的等效电阻。图2-17电阻混联电路例题2.2.1电阻图2-18标字母解（1）从A点至B点依次为各连接点标上字母，如图2-18所示。中间无电阻的连接点必须用同一字母表示。（2）将A、C、B三点沿一条直线依次排开，如图2-19所示。（3）将原电路图中的电阻填入相应的连接点之间，如位于A、C两点之间，位于A、B两点之间，如图2-20所示。图2-18标字母图2-18标字母2.2.1电阻电容能够将电能转换为电场能储存起来，是一种储存电场能的元件，一般由两块金属板间隔以不同的绝缘材料制成。电容在电路图中的符号如图2-21所示。图2-21电容在电路图中的符号2.2.2电容01电容的伏安特性2.2.2电容2.2.2电容02电容储存的电场能03电容的串联与并联2.2.2电容1电容的串联将电容依次首尾相连，且中间无任何分支的连接方式即为电容的串联，如图2-22所示为电容的串联电路。图2-22电容的串联电路2.2.2电容2电容的并联将电容的相同电极分别相连，接在两个共同端点之间的连接方式称为电容的并联，如图2-23所示为电容的并联电路。2.2.2电容图2-23电容的并联电路电感能够将电能转换为磁场能储存起来，是一种储存磁场能的元件，一般由导线绕制而成，如图2-24（a）所示。电感在电路图中的符号如图2-24（b）所示。图2-24电感2.2.3电感01电感的伏安特性设电感有N匝线圈，当线圈通过电流i时，线圈内部将产生磁通Φ。磁通与线圈匝数的乘积为磁通链，用Ψ表示，即。

在国际单位制中，磁通Φ与磁通链Ψ的单位都为韦伯（Wb）。2.2.3电感2.2.3电感02电感储存的磁场能03电感的连接与耦合2.2.3电感1电感的串联与并联2.2.3电感2电感的耦合（a）顺接串联

（b）反接串联图2-25耦合电感的串联示意图2.2.3电感

（a）同侧并联

（b）异侧并联

图2-26耦合电感的并联示意图01电压源电压源是指为电路提供一定电压的电源。

如果电压源内阻为零，电压源将提供一个恒定不变的电压，其电流I由负载电阻R及输出电压U来确定，这样的电压源称为理想电压源（或恒压源），其符号如图2-27所示。2.2.4电源图2-27理想电压源的符号2.2.4电源图2-28电压源电路图2-29实际电压源和理想电压源的外特性曲线02电流源电流源是指为电路提供一定电流的电源。如果电流源内阻为无穷大，电流源将提供一个恒定、不随外电路改变的电流，其电压U由负载电阻R及输出电流I来确定，这样的电流源称为理想电流源（或恒流源），其符号如图2-30所示。实际上，电源内阻不可能为无穷大，为了方便对电路进行分析和计算，可以认为实际电流源是由理想电流源与内阻并联构成的组合，如图2-31所示。2.2.4电源图2-30理想电流源的符号图2-31电流源电路2.2.4电源图2-32实际电流源和理想电流源的外特性曲线03电压源和电流源的等效变换电压源以输出电压的形式向外电路供电，电流源以输出电流的形式向外电路供电。对外电路而言，电压源和电流源可以进行等效变换，如图2-33所示。2.2.4电源图2-33电压源和电流源的等效变换2.2.4电源图2-34电源的电路模型例题2.2.4电源解任务实施----测试线性电阻的伏安特性任务准备实验器材准备：直流电压表、直流毫安表各1块，直流电源1台，线性电阻（1kΩ）1个，导线若干。实施步骤（1）根据图2-35所示电路，将电源、电阻及各类电表连接起来。（2）调节电源电压，使电压表示数Ur为0V。（3）在电压表示数分别为0V、2V、4V、6V、8V、10V时，将电流表示数I填入表2-6中。图2-35线性电阻的伏安特性测试电路（4）根据测试结果，在方格纸上绘制出线性电阻的伏安特性曲线。Ur/V0246810I/mA

表2-6线性电阻的伏安特性测试结果老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表2-7中。表2-7线性电阻伏安特性的测试评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确连接电路，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣10分25分

3实施结果表2-6中的测量结果正确，否则每错1处扣5分；伏安特性曲线绘制正确，否则根据错误情况扣5～15分45分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

直流电路任务2.3任务引入对于简单的直流电路，可通过等效变换来化简，然后使用欧姆定律和必要的测量手段即可对其进行分析；而对于那些不能通过等效变换化简的复杂电路，这些分析方法是远远不够的。在分析复杂电路，尤其是多条支路、多个电源组成的电路时，应采取什么样的方法呢？这些方法分别能解决什么样的问题呢？2.3.1基尔霍夫定律基尔霍夫定律是电路理论中最重要的定律之一，包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。支路一个或几个二端元件首尾相接，中间没有分岔的电路称为支路。节点三条或三条以上支路的连接点称为节点。回路电路中的任意闭合路径称为回路。网孔内部不包含其他支路的回路称为网孔。图2-36电路举例1基本概念2基尔霍夫电流定律2.3.1基尔霍夫定律3基尔霍夫电压定律2.3.1基尔霍夫定律2.3.1基尔霍夫定律图2-40直流电路例题2.3.1基尔霍夫定律解1设定各支路电流的参考方向及回路绕行方向。2应用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。2.3.2支路电流法支路电流法是指根据基尔霍夫定律，分别对节点和回路列出相关方程并进行求解，从而解出支路电流的电路分析方法。其具体求解步骤如下。3应用基尔霍夫电压定律列出回路电压方程，应优先选择独立回路。4将已知数代入方程，求解各支路电流。5确定各支路电流的方向。2.3.2支路电流法图2-41复杂直流电路例题2.3.2支路电流法解应用叠加定理求解电路的具体步骤如下：（1）在原电路中设定各支路电流的参考方向、各回路的绕行方向。2.3.3叠加定理叠加定理认为：在多个电源作用下的线性电路中，任何一个支路中的电流（或电压）等于各电源单独作用时，该支路上的电流（或电压）的代数和。（2）将原电路分解为各电源单独作用的分电路。（3）计算每个分电路中相应支路电流及电压的分量。（4）将各电流及电压的分量分别进行叠加，求出原电路中各支路的电流及电压。2.3.3叠加定理（a）

（b）

（c）图2-43线性电路例题2.3.3叠加定理解应用戴维南定理求解电路的步骤详见教材p542.3.4戴维南定理戴维南定理认为：对外电路而言，线性有源二端网络都可以用一个理想电压源与内阻串联的电压源来等效代替，如图2-44所示。图2-44有源二端网络2.3.4戴维南定理（a）

（b）

（c）

（d）图2-46复杂线性电路例题2.3.4戴维南定理解任务实施Ⅰ----验证基尔霍夫定律和叠加原理任务准备实验器材准备：直流电压表、直流毫安表各1块，DG05试验挂箱（或其他同类型试验挂箱）1个，直流电源1台，导线若干。

实施步骤根据图2-47所示电路，将各类实验器材连接起来。图2-47基尔霍夫定律和叠加原理的验证电路详细步骤见教材p57表2-11基尔霍夫定律和叠加定理的验证评分表任务评价老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表2-11中。序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20