學(xué)習(xí)單元二　電路中基本元器件和歐姆定律

一、基本元器件

1.電阻

金屬導(dǎo)體中的自由電子在做定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，要跟金屬正離子頻繁碰撞，每秒的碰撞次數(shù)高達(dá)10¹⁵次，這些碰撞阻礙了自由電子的定向運(yùn)動(dòng)。表示這種阻礙作用的物理量，稱為電阻。任何物體都有電阻，常見的電阻如圖1-14所示。

電阻是描述導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的物理量，用R表示，單位為Ω（歐姆）。對(duì)于大電阻，計(jì)量單位還有千歐（kΩ）、兆歐（MΩ），其換算關(guān)系為

1Ω=10^-3kΩ=10^-6MΩ

在保持溫度（如20℃）不變的條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電阻值的大小與電阻率、導(dǎo)體的長度、導(dǎo)體的橫截面積有關(guān)，即

　　        （1-8）

式中，R為導(dǎo)體的電阻，Ω；ρ為電阻率，Ω·m；l為導(dǎo)體的長度，m；S為導(dǎo)體的橫截面積，m²。

電阻分為線性電阻（伏安特性曲線為直線）和非線性電阻（伏安特性曲線為曲線）。常用的電阻器類型：RX表示線繞電阻器，RT表示碳膜電阻器，RJ表示金屬膜電阻器，RS表示實(shí)心電阻器。

2.電感

電感是電路中的基本元件之一，在電子技術(shù)和電力系統(tǒng)中，常常可以看到用導(dǎo)線繞制而成的線圈，如收音機(jī)中的調(diào)頻扼流圈，日光燈電路中的鎮(zhèn)流器，電子電路中的扼流圈，電動(dòng)機(jī)中的繞組等。常用的電感如圖1-15所示。

當(dāng)電感線圈中有電流通過時(shí)，線圈周圍就建立了磁場，即有磁力線穿過線圈，形成封閉的磁力線。

磁鏈與磁通量通常是由通過線圈的電流i產(chǎn)生的，當(dāng)線圈中無鐵磁材料時(shí)，磁鏈Ψ與電流i成正比，其比例系數(shù)定義為線圈的電感，比例系數(shù)為常數(shù)的電感，又稱為線性電感，電感可用符號(hào)L來表示，即

　　        （1-9）

式中，L為電感，H。

電感元件是實(shí)際電感線圈的一種理想化模型，在電路中一般可用圖1-16所示的符號(hào)來表示。

常用的電感單位還有毫亨（mH）和微亨（μH），它們之間的換算關(guān)系為：

1H=10³mH=10⁶μH

3.電容

電容也是電路中的基本元件之一，在各種電子產(chǎn)品和電力設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。在電子技術(shù)中，電容常用于濾波、移相、選頻等電路，還能起到隔直、旁路等作用；在電力系統(tǒng)中，電容可用來提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。常用的電容如圖1-17所示。

將兩個(gè)金屬片（或?qū)w）用絕緣介質(zhì)隔開，即構(gòu)成一個(gè)能儲(chǔ)存電量的電器，稱為電容器。用符號(hào)C表示，其電路符號(hào)如圖1-18所示。對(duì)任何一個(gè)電容器而言，極板上所聚集的電荷與外加的電壓成正比。如果比例系數(shù)是一常數(shù)，這種電容元件就是線性的，其比例系數(shù)就是電容的電容量，簡稱電容。電容的大小為極板上所聚集的電荷量Q與外加的電壓U的比值，即

　　        （1-10）

在國際單位制（SI）中，電容的單位為F（法拉）。由于法拉的單位在工程應(yīng)用中顯得太大，一般常用μF（微法）和pF（皮法）等較小的單位。它們的換算關(guān)系為

1F=10⁶μF=10¹²pF

電容的電容量是由本身的介質(zhì)和幾何尺寸決定的。介質(zhì)的介電常數(shù)越大，極板正對(duì)面積越大，極板間的距離越小，電容的容量越大。

電容的種類很多，根據(jù)容量可分為固定電容和可調(diào)電容；根據(jù)材料可分為電解電容、云母電容、滌綸電容、瓷片電容、鉭電容等；根據(jù)有無極性可分為無極性電容與有極性電容，如電解電容是有極性的，更換此類型電容時(shí)就應(yīng)注意極性，若極性錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致電容損壞。

二、歐姆定律

1.部分電路的歐姆定律

1826年，德國物理學(xué)家歐姆通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出，線性電阻R兩端所加的電壓U與其通過的電流I成正比，如圖1-19所示，即

　　        （1-11）

式（1-11）中的電阻是一個(gè)與通過它的電流無關(guān)的常數(shù)，這樣的電阻稱為線性電阻，線性電阻上的電壓、電流的相互關(guān)系遵守歐姆定律。當(dāng)流過電阻上的電流或電阻兩端的電壓變化時(shí)，電阻的阻值也隨之改變，這樣的電阻稱為非線性電阻。

如果在電路的某一支路中不但有電阻元件，而且有電源，如圖1-20所示，可先設(shè)定有關(guān)電壓、電流的參考方向，再列出A、B兩點(diǎn)之間的電壓方程為

U=IR₁+E₁+IR₂-E₂

經(jīng)整理后，可得

如果在電路中含有多個(gè)電阻和多個(gè)電源，那么，可以寫出

　　        （1-12）

式（1-12）中，當(dāng)端電壓U與電流I為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，端電壓取“+”，反之取“-”；當(dāng)電動(dòng)勢與電流的參考方向一致時(shí)，電動(dòng)勢取“+”，反之取“-”。

2.全電路歐姆定律

一個(gè)包含電源、負(fù)載在內(nèi)的閉合電路，稱為全電路。電源的內(nèi)部一般都是有電阻的，這個(gè)電阻稱為電源的內(nèi)電阻，用R₀表示。開關(guān)S閉合時(shí)，負(fù)載R_L上就有電流通過，如圖1-21所示，電流的大小為

　　        （1-13）

實(shí)驗(yàn)二　元器件的認(rèn)識(shí)及測量

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h6>

①熟悉電阻、電容、電感的不同標(biāo)注及識(shí)讀。

②掌握電阻、電容、電感的測量。

實(shí)驗(yàn)原理

①被測電阻與萬用表內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，測量標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測電阻的電壓，因兩者電流相同，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值換算出被測電阻的阻值。

②萬用表內(nèi)置一組頻率產(chǎn)生器電路，經(jīng)過處理器程序計(jì)算后顯示被測試電容的值。

實(shí)驗(yàn)電路圖（圖1-23）

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1.電阻的測量

（1）測量步驟

①首先紅表筆插入VΩ孔，黑表筆插入COM孔。

②量程旋鈕打到“Ω”測量擋，并選擇合適的量程。

③分別用紅、黑表筆接到電阻兩端金屬部分。

④讀出顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)。

⑤將所測結(jié)果與標(biāo)稱值進(jìn)行比較，只要誤差在允許偏差內(nèi)，即為合格電阻。

（2）測量注意點(diǎn)

①數(shù)字萬用表兩表筆開路，儀表顯示為“1”。

②數(shù)字萬用表兩表筆短路，儀表顯示為“0000”。

③量程的選擇和轉(zhuǎn)換。量程選小了，顯示屏上會(huì)顯示“1”，此時(shí)應(yīng)換用較大的量程；反之，量程選大了，顯示屏上會(huì)顯示一個(gè)接近于“0”的數(shù)，此時(shí)應(yīng)換用較小的量程。

④顯示屏上顯示的數(shù)字再加上擋位選擇的單位，就是該電阻的讀數(shù)。要提醒的是在“200”擋時(shí)單位是“Ω”，在“2k～200k”擋時(shí)單位是“kΩ”，在“2M～2000M”擋時(shí)單位是“M”。

⑤測量時(shí)手不能接觸到電阻兩端金屬部分。

（3）測量記錄（表1-3）

2.電容器的測量

（1）測量步驟

①將電容兩端短接，對(duì)電容進(jìn)行放電，確保數(shù)字萬用表的安全。

②將功能旋轉(zhuǎn)開關(guān)打至電容“F”測量擋，并選擇合適的量程。

③將電容插入萬用表CX插孔（有的萬用表有表筆測量）。

④讀出LCD顯示屏上數(shù)字。

（2）測量注意點(diǎn)

①測量前電容需要放電，否則容易損壞萬用表。

②測量后也要放電，避免埋下安全隱患。

③儀器本身已對(duì)電容擋設(shè)置了保護(hù)，故在電容測試過程中不用考慮電容極性及電容充放電等情況。

（3）測量記錄（表1-4）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

①判斷一下你所測電阻是否合格（標(biāo)稱誤差是多少？，計(jì)算誤差是多少？如果計(jì)算誤差小于標(biāo)稱誤差就合格）。

②如果萬用表的電池電量不足，對(duì)測量結(jié)果有什么影響？

③完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

實(shí)驗(yàn)三　歐姆定律的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h6>

①通過實(shí)驗(yàn)，探究電流和電壓、電阻的定量關(guān)系，歸納得出歐姆定律。

②理解和熟練掌握歐姆定律，并能運(yùn)用歐姆定律分析解決簡單的電路問題。

實(shí)驗(yàn)原理

①導(dǎo)體中的電流I和導(dǎo)體兩端的電壓U成正比，和導(dǎo)體的電阻R成反比

②閉合電路中的電流和電源的電動(dòng)勢成正比，和內(nèi)、外電路的電阻之和成反比

實(shí)驗(yàn)電路（圖1-24）

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1.部分電路歐姆定律的驗(yàn)證

①按圖1-24（a）接好線路。

②按圖1-24（a）接入不同的電阻A、B，記錄所測得的電壓與電流值于表1-5中。

③將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描到坐標(biāo)系中，觀察并分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

④根據(jù)坐標(biāo)系中圖可以發(fā)現(xiàn)：

a.U-I圖像有什么特點(diǎn)？

b.同一電阻（導(dǎo)體），電壓與電流的比值是否為定值。

2.全電路歐姆定律的驗(yàn)證

①按圖1-24（b）連接線路。

②通過改變不同的外電阻，測出不同的路端電壓和負(fù)載電流，發(fā)現(xiàn)它們的關(guān)系（參考部分電路歐姆定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)）：R增大，電流減小，路端電壓增大；R減小，電流增大，路端電壓減小。路端電壓U=E-Ir。

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出U-I的關(guān)系圖。

④理解圖像的含義：

a.在縱軸上的截距表示電源的電動(dòng)勢E；

b.在橫軸上的截距表示電源的短路電流I_短=E/r；

c.圖像斜率的絕對(duì)值表示電源的內(nèi)阻，內(nèi)阻越大，圖線傾斜得越厲害。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

①判斷你所測數(shù)據(jù)是否與歐姆定律吻合？

②在全電路歐姆定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，內(nèi)阻是多少？

③完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。