电阻伏安特性测定方法介绍

【任务目标】

•知识目标

(1)掌握电阻的欧姆定律;

(2)掌握电阻电路电能、功率及效率的概念。

•能力目标

(1)能识读电路图;

(2)能正确按图接线;

(3)能使用直流稳压电源、电流表、电压表、电阻箱进行电阻伏安特性测量;

(4)能进行实验数据分析;

(5)能完成实验报告填写。

•态度目标

(1)能主动学习,在完成任务过程中发现问题、分析问题和解决问题;

(2)能与小组成员协商、交流配合完成本次学习任务,养成分工合作的团队意识;

(3)严格遵守安全规范,爱岗敬业、勤奋工作。

【任务描述】

班级学生自由组合为若干个实验小组,各实验小组自行选出组长,并明确各小组成员的角色。 在电工实验室中,各实验小组按照《Q/GDW 1799.1—2013 国家电网公司电力安全工作规程》、进网电工证相关标准的要求,进行电阻伏安特性的测定。

【任务准备】

课前预习相关知识部分,独立回答下列问题:

(1)电阻的欧姆定律正负号有何含义?

(2)如何根据功率正负判断是负载还是电源?

(3)一度电为多少千瓦时?

(4)效率的定义是什么?

【相关知识】

理论知识

一、欧姆定律

理想的电阻元件,其电压、电流方向总是一致,不断消耗电能,是纯耗能元件。 在任意时刻,其电压与电流之间的关系可以由平面上的一条曲线来确定,称为电阻的伏安特性曲线。如果电压与电流之间的关系曲线在所有时间都是平面上的一条通过原点的直线,叫线性电阻元件,否则为非线性电阻元件。 由线性元件组成的电路叫线性电路。 线性电阻元件的图形符号及其伏安特性曲线如图1.4.1 所示。

图1.4.1　线性电阻元件的图形符号及其伏安特性曲线

由电阻的伏安特性曲线可得,电阻元件上的电压、电流关系为即时对应关系,称为电阻的欧姆定律,即

对于线性电阻元件,当U、I 取关联参考方向时,U=IR,如图1.4.2 所示。

当U、I 取非关联参考方向时,U= -IR,如图1.4.3 所示。

图1.4.2　UI 取关联参考方向

图1.4.3　UI 取非关联参考方向

以上两式皆为欧姆定律式。

说明:(1)式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定;

(2)U、I 值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。

通常取U、I 参考方向相同,即取关联参考方向。

二、电能

1)电能的获得

电能可以从机械能获得。 处于高位置的水具有势能,水推动涡轮机做功,如图1.4.4 所示,涡轮机驱动发电机便把机械能转化为电能。

图1.4.4　水力发电站

电能获得的途径有很多,如图1.4.5 所示。

图1.4.5　电能获得的举例

以热电站为例:热电站的任务是把热能转变为电能。 热能是由煤、天然气或石油燃烧所生的化学能或由核裂变所生的核能来获得。 在蒸汽发电机中,热能把水变为蒸汽,蒸汽推动汽轮机的叶片和叶轮,旋转带动发电机的转子旋转,定子线圈切割磁力线,发电机把机械能转变为电能。

能量既不能产生,也不能消失,只能从一种形式转变为另一种形式。

我们仍然把其他能变成电能的设备称为电源,如发电机、太阳能电池或蓄电池。 把电能转变成其他形式能的设备称为用电器,如白炽灯泡、电动机、蓄电池(充电时)。 因为电能在转变为如机械能、热能等其他形式能时的损失不大,所以把其称为高效的能类。

2)电能的定义

在一段时间t1 ～t2 内电场力所做功的总和称为电能W。 一般吸收或发出的电能用如下的公式表示:

电能单位:焦耳,简称焦,用符号J 来表示;

电能用来表示用电量时,功率用千瓦表示,时间用小时,这时电能的单位为千瓦时,即kW·h,俗称度。

1 度电= 1 千瓦时= 3.6 ×106 焦耳

直流电路,电阻元件t 时间内吸收的电能用如下的公式:

【例1.4.1】　一会议室有100 W 电灯10 只,2 kW 电热器2 台,均在220 V 电压下使用。

试求:(a)总电流;(b)每天使用3 h,20 天用了多少电能。

解　(a)先求总功率

P = 100 ×10 +2 ×103 ×2 = 5 ×103 W = 5(kW)

再求总电流

(b)所用电能

W = Pt = 5 ×3 ×20 = 300(kW·h)

电能与其相关参数的关系是:

①电压U 越大,则电能越大。

②电流I 越大,则电能越大。

③在用电设备中由电网取出电能时间越长,则电能越大。

3)电能的测量

(1)间接测量:电能可以通过测量电压、电流和时间,由公式W=UIt 来确定。

(2)直接测量:用仅作为计数器的电能表直接测量。 计数机构计算出转数并直接以kW·h指示出电能,电能的消耗者应向配电网经营者交付电能费用。 电能表如图1.4.6所示。

图1.4.6　电能表

三、电功率

1)电功率的定义

在电路中,单位时间内电流流过某一电路元件电场力所做的功,就是元件的电功率(简称功率)。 电功率的符号用P(或p)表示。

功率的单位用瓦特(简称瓦),用符号W 表示。 常用的还有kW(千瓦)、MW(兆瓦)、mW(毫瓦)。

电功率就是电能对时间的变化率,对于直流电阻元件,有

2)二端电路功率的计算

具有两个引出端钮的电路称为二端电路,也称二端口网络、一端口网络,如图1.4.7所示。(www.xing528.com)

在图1.4.8 中,二端网络N 功率的计算由端口电压u 和电流i 参考方向决定。

图1.4.7　二端电路

图1.4.8　二端网络

当u 和i 取关联参考方向,如图1.4.8(a):p=ui;

当u 和i 取非关联参考方向,如图1.4.8(b):p= -ui。

我们可以根据二端网络功率的正负,判断元件是吸收功率还是发出功率。 p ＞0,元件为负载状态,实际吸收功率;p ＜0,元件为电源状态,实际发出功率。

【例1.4.2】　二端网络的端口电压和端口电流的参考方向以及它们的取值如图1.4.9所示,试求它们的功率,并判断它们是吸收功率还是发出功率;是负载还是电源。解　图(a)因为u 和i 取关联参考方向,且

p = ui = 220 × (-10)W = -2 200 W = -2.2 kW

所以该网络发出功率2.2 kW,是电源;

图(b)因为u 和i 取关联参考方向,且

p = ui = (-380) × (-5)W = 1 900 W = 1.9 kW

所以该网络吸收功率1.9 kW,是负载;

图(c)因为u 和i 取非关联参考方向,且

p = - ui = -220 ×15 W = -3 300 W = -3.3 kW

所以该网络发出功率3.3 kW,是电源;

图(d)因为u 和i 取非关联参考方向,且

p = - ui = - (-380) ×20 W = 7 600 W = 7.6 kW

所以该网络吸收功率7.6 kW,是负载。

在一个与外界没有联系的电路中,所有电源发出的功率等于所有负载吸收的功率。

图1.4.9　例1.4.2 图

3)功率的测量

(1)间接测量:电功率可以通过测量电压、电流,由公式P =UI 来确定,如图1.4.10(a)所示。

(2)直接测量:电功率可以用功率表直接进行测量,如图1.4.10(b)所示,功率表有4 个接线柱,其中两个接线柱用作电压测量,而另外两个接线柱则用于电流测量。 用功率P 表示所施加的电压U 和所流过的电流I 的乘积。

图1.4.10　功率的间接与直接测量

4)电气设备的额定参数

电气设备在安全工作时所允许的最大电流、电压和电功率,分别叫作电气设备的额定电流(用IN 表示)、额定电压(用UN 表示)、额定功率(用PN 表示)。 通常设备的额定参数都标在明显位置。 设备应在额定条件下工作,例如电灯长时间工作在高于额定电压的状态下,会缩短其使用寿命或烧毁;若低于额定电压,则不能正常发光。 额定参数是选择设备的一个重要依据,如输电导线横截面积的选择必须使所选导线的额定电流高于可能通过的最大电流,电能表的选择也要使所选电能表的额定电流高于最大负荷电流。

【例1.4.3】　标有“220 V 、60 W”的白炽灯泡,如将该灯泡接入低于额定电压的110 V电路中,试计算灯泡的实际功率。 如果把该灯泡接入高于额定电压的380 V 电路中,灯泡的实际功率又为多少? 会出现什么后果?

解　220 V 和60 W 表明该灯泡的额定电压为220 V,且在220 V 电压下工作,灯泡消耗的功率为60 W。 由于灯丝电阻为

在灯泡接入低于额定电压的110 V 电路时,灯泡的实际功率为

上式表明,灯泡发光强度不足。

如果把该灯泡接入高于额定电压的380 V 电路中,灯泡的实际功率为

很显然,灯泡的实际功率远大于额定功率,灯泡会很快烧毁。

四、效率

所有的能量转换装置都有副效应,如电动机,电流不仅使电动机绕组发热,而且也使转子和定子的铁片发热。 除此之外,轴承和空气的摩擦也会产生热量。 把转换成不希望的副效应的功率损失部分称为损失功率PV。 电动机的功率图解如图1.4.11 所示。

图1.4.11　电动机的功率图解

效率η 是输出功率与输入功率的比。 以小数或百分数表示的效率,因其输入功率大于输出功率,所以其值总是小于1 或100%,见表1.4.1。

表1.4.1　效率(举例)

在设备中可进行多种能量形式的转换,如把电能转换为机械能,再转换成具有其他频率或电压的电能,如图1.4.12 所示,于是得到一个由单个效率相乘的总效率:

η=η1·η2

图1.4.12　变频器

【例1.4.4】　对图1.4.12 所示的变频器作以下计算:(a)电动机的效率ηM 和发电机的效率ηG;(b)总效率η。

实践知识

【任务简介】

1)任务描述

(1)学会测量电路中电压、电流的方法;

(2)掌握直流电流表、直流电压表、万用表、滑线电阻、电阻箱的使用方法。

2)任务要求

电路接好后,合上开关,利用电压表、电流表进行电阻电压、电流的测量,并验证电阻的伏安特性。

3)实施条件

表1.4.2　电阻伏安特性的测定

【任务实施】

1)电路图

电路图如图1.4.13 所示。

图1.4.13　电阻伏安特性测量

2)操作步骤

(1)按图1.4.13 接线。

(2)经老师检查电路后,合上K。

(3)当图中AB 两端开路时,读出电压表和电流表的数值,记入表中。

(4)按表中的电阻值测量对应的电压和电流,记入表中。

3)数据记录

表1.4.3　数据记录

4)注意事项

(1)防止稳压电源短路。

(2)改变负载电阻箱的阻值时,应先断开电源。

5)思考题

(1)电源的内阻对其外特性有何影响?

(2)负载电阻的大小对电源外特性有何影响?

6)检查及评价

表1.4.4　检查与评价