实验一基尔霍夫定律及电位电压关系的验证.docx

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实验一基尔霍夫定律及电位电压关系的验证

实验一基尔霍夫定律及电位、电压关系的验证

一、实验目的

1、验证基尔霍夫电流定律和电压定律，巩固所学的理论知识。

2、学习电位的测量方法，加深对电位、电压概念的理解。

二、实验原理

基尔霍夫定律是电路的基本定律。

它包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）o

1．基尔霍夫电流定律

对电路中的任一节点，各支路电流的代数和等于零，即I0。

此定律阐述了电路任

一节点上各支路电流间的约束关系，且这种约束关系与各支路元件的性质无关，无论元件是线性的或非线性的、含源的或无源的、时变的或非时变的。

2．基尔霍夫电压定律

对任何一个闭合电路，沿闭合回路的电压降的代数和为零，即U0。

此定律阐述了任一闭合电路中各电压间的约束关系，这种关系仅与电路结构有关，而与构成电路的元件性质无关，无论元件是线性的或非线性的、含源的或无源的、时变的或非时变的。

3．参考方向

KCL、KVL表达式中的电流和电压都是代数量，除具有大小外，还有方向，其方向以量值的正负表示。

通常，在电路中要先假定某方向为电流和电压的参考方向。

当它们的实际方向与参考方向相同时，取值为正；相反时，取值为负。

4．电位参考点

测量电位首先要选择电位参考点，电路中某点的电位就是该点与参考点之间的电压。

电位参考点的选择是任意的，且电路中各点的电位值随所选电位参考点的不同而变，但任意两点间的电位差即电压不因参考点的改变而变化。

所以，电位具有相对性，而电压具有绝对性。

三、实验仪器和设备

1．

双路直流稳压电源

台

2．

直流毫安表

块

3．

直流电压表

1块

4．

直流电路单元板

1块

5．导线若干

四、预习要求1．复习基尔霍夫定律，根据本次实验电路的参数，估算出待测电流、电压。

2．复习电位、电压的概念及其计算方法，根据本次实验电路的参数，估算出不同参考点时的待测电位值及电压。

五、实验内容及步骤

1．验证基尔霍夫电流定律（KCL）

本实验通过直流电路单元板进行。

按图1.1接好线路。

在接入电源US1、US2之前，应将直流稳压电源输出“细调”旋钮调至最小位置，然后打开电源开关，调整输出“细调”旋钮，使直流稳压电源两路输出分别为Usi=10V,Us2=18V，然后将Usi和Us2接到电路上。

图中X1-X2、X3-X4、X5-X6分别为节点B的三条支路电流测量接口。

测量某支路电流时，

将电流表的两支表笔插入该支路接口上，并将另两个接口用导线短接。

实验前先设定三条支路电流的参考方向，可假定流入节点的电流为正（反之亦可），并将表笔负极接在靠近节点的接口上，表笔正极接在远离节点的接口上。

若测量时指针正向偏转，则为正值；若反向偏转，则调换表笔正负极，重新读数，其值取负。

将测量结果填入表1.1。

注：

图中X1-X2、X3-X4、X5-X6若为电流插口时，可将电流插头的两个接头与电流表接好，然后再将其插入电流插口，即可从电流表上读数。

2．验证基尔霍夫电压定律（KVL）

实验电路同图1.1，用导线将三个电流接口短接。

取回路ABEFA和回路BCDEB用电压

表依次测量两个回路中的各支路电压UAB、UBE、UEF、UFA和UBC、UCD、UDE、UEB,将测

量结果填入表1.2中。

测量时，可选顺时针绕行方向为正方向，并注意电压表的指针偏转方向及取值的正、负。

如测量电压Uab，将“正”表笔接在A点，“负”表笔接在B点。

若指

针正向偏转，则取值为正；若指针反向偏转，则应调换表笔，重新读数，其值取负。

3．电位、电压的测量

实验电路同图1.1，分别以电路的D点、F点为参考点，测量电路中的A、B、C、D、

E、F各点电位，将测量结果填入表1.3中。

测电位时，应将电压表的“正”表笔接在被测点，“负”表笔接在电位参考点上。

若指针正向偏转，则取值为正；若指针反向偏转，则应调换表笔，重新读数，其值取负。

测量上述每两点间的电压Uab、Ubc、Ucd、Ube、Ude、Uef、Ufa、Uad，将测量结果

填入表1.4中。

根据以D、F点为参考点而测量的电位值，分别计算上述电压值，将计算结

果也填入表1.4中。

Usi

10V

US2

18V

表1.1

计算值

测量值

|1（mA）

I2（mA）

|3（mA）

工I

表1.2单位：

伏特

Uab

Ube

Uef

Ufa

工u

Ubc

Ucd

Ude

Ueb

工u

计算值

测量值

表1.3

电位参考点、^

表1.4

、一电位参考点

Uab

Ubc

Ucd

Ube

UED

Ufe

UAF

Uad

测量

D（计算）

F（计算）

六、实验报告要求

1．写明本次实验所用仪器仪表的型号、规格及量程。

2．利用表1.1和表1.2中的测量结果验证KCL、KVL定律。

3．根据表1.3和表1.4中的数据，总结电位和电压的关系，分析参考点对电位和电压的影响。

实验二叠加原理和等效电源定理

一、实验目的

1.验证叠加原理和戴维宁定理。

2.熟悉电路的开路和短路情况，掌握测量等效电动势与等效内阻的方法。

二、实验原理

1.叠加定理

在线性电路中，有多个电源同时作用时，任一支路的电流或电压都是电路中每个独立电

源单独作用时在该支路中所产生的电流或电压的代数和。

2.等效电源定理

任何一个线性有源二端网络，总可以用一个理想电压源和一个等效电阻相串联来代替，其理想电压源的电压等于该网络的开路电压Uoc,等效内阻等于该网络中所有独立源为零时

的等效电阻Ro。

（1）开路电压的测试方法

1一般情况下，把外电路断开，选万用表电压档测其两端电压值，即为开路电压。

若电压表内阻远大于被测网络的等效电阻，其测量结果相当精确。

若电压表内阻较小，则误差很大，必须采用补偿法。

2补偿法：

如图2.1所示，外加Us和R构成补偿电路，调节R的值，使检测计G指示

为零，此时电压表指示的电压值即为开路电压Uoc。

（2）等效电阻Ro（内阻）的测试方法

1用欧姆表测：

若电源能与其内阻分开，则可将电源除去后用欧姆表测出电阻值。

若电

源与其内阻分不开（如干电池）就不能用此法。

2测量网络两端的开路电压Uoc及短路电流Is。

按Ro=Uoc/Is计算出等效电阻。

此法适

用于网络两端可以被短路的情况。

（建议该实验用此方法测Ro）。

3外加电压Uo,测其端电流I，按Ro=Uo/1计算，用这种方法时，应先将有源二端网络的电源除去，若不能除去电源，或者网络不允许外加电源，则不能用此法。

4测量开路电压Uoc及有载电压Uo,如图2.2所示，按Ro（UOC1）Rl计算，若Rl

采用一个精密电阻，则此法精度也较高。

这种方法适用面广，例如用于测量放大器的输出电阻。

图2.1补偿法测开路电压

图2.2等效电阻的测量

三、实验仪器和设备

1.双路直流稳压电源1台

2.直流毫安表1块

3.直流电压表1块

4.直流电路单元板1块

5.可调电阻1只

6.导线若干

四、预习要求

1•复习叠加原理和等效电源定理。

C、D两端断开的二端网络的等效电源

•根据实验电路的参数，计算各支路电流和从

参数。

五、实验内容及步骤

1•验证叠加原理

本实验在直流电路单元板上进行。

按图2.3接好线路，Us1、Us2由直流稳压电源供给，

其中Us1=14V,Us2=18V。

Us1、Us2是否作用于电路，分别由换路开关S1、S2控制，当开

关投向短路一侧时，该电源不作用于电路。

（1）接通电源Us1，将S2投向短路侧，测量Us1单独作用时各支路电流和电压（测量

方法可参考实验一中电流和电压的测量），将测量结果填入表2.1和表2.2。

测量中注意电流

和电压的方向。

（2）将S1投向短路侧，接通电源US2，测量US2单独作用时各支路电流和电压，将测量结果填入表2.1和表2.2。

（3）接通电源Us1和US2，测量US1和US2共同作用下各支路电流和电压，将测量结果填入表2.1和表2.2。

US2

18V

表2.1

电源

电流（mA）

Usi

单独作用

US2

单独作用

US1和US2

单独作用

验证

I2I2I2

I3I3I3

叠加原理

表2.2

电源

电压（V）

Usi

单独作用

US2

单独作用

Usi和Us2

单独作用

验证

UiUiUi

U2U2U2

U3U3U3

叠加原理

2•测量有源二端网络的外部伏安特性

本实验仍在直流电路单元板上进行。

按图2.4接线，即将图2.3中的Us2去掉，改接Rl,

并使Usi=25V，选择C、D两端左侧为有源二端网络。

调节有源二端网络外接电阻Rl的数值，使其分别为表2.3中所示数值。

测量通过R2（即

Rl）的电流和RL两端电压，将测量结果填入表2.3中。

其中，Rl=0时的电流为短路电流

Is,Rl=m时的电压为开路电压

Uoc。

510Q

Usi

10V

■

510Q〔

f11

1kQ

510Q

——

H1-^=

330Q

表2.3

图2.4等效电源定理实验电路

Rl（Q）

500

1.5K

I（mA）

U（V）

3•测量等效电源的参数

根据步骤2.的测量结果，开路电压Uoc=

V,短路电流Is=

mA,

则二端网络的等效电源电压Uo=

V，内阻Ro=

4.验证等效电源定理

用步骤3.中的等效电源参数Uo、Ro代替二端网络，计算负载Rl不同阻值情况下的I、

U值，填入表2.4中。

表2.4

Rl（Q）

500

1.5K

I（mA）

U（V）

六、实验报告要求

1.完成表2.1和表2.2中的计算，验证叠加原理。

2.3

比较二端网络和等效电源分别作用时，负载RL两端的电压及电流值，即对比表

和表2.4中的数据，验证戴维宁定理。

3.能否用叠加原理计算或测量各元件的功率？

为什么？

4．若将图2.3中的电阻R5换成半导体二极管，能否用叠加原理计算或测量各元件的电流与电压？

为什么？

实验三日光灯电路和功率因数的提高

一、实验目的

1.进一步理解交流电路中电压、电流的相量关系。

2.进一步理解感性负载电路提高功率因数的意义和方法。

3.熟悉日光灯的工作原理，学会联接日光灯电路。

4.学习交流电压表、电流表、功率表的使用。

、实验原理

1•日光灯电路及工作原理

3.1所示。

图3.2

日光灯电路由日光灯灯管、镇流器、启动器等元件组成。

电路如图

—7

门

启动器

图3.1日光灯电路

日光灯管的内壁涂有一层荧光粉，灯管两端各有一组灯丝，灯丝上涂有易使电子发射的

金属粉末。

管内抽成真空，填充氩气和少量的汞。

它的启动电压是400—500V，启动后管压

降只有80V左右。

因此，日光灯灯管不能直接接在220V的电源上使用，而且启动时需要高于220V的电压。

镇流器和启动器就是为满足这个要求而设计的。

镇流器是一个铁心线圈。

启动器内有两个电极，一个是双金属片，另一个是固定片，两

极之间有一个小容量电容器。

一定数值的电压加在启动器两端时，启动器产生辉光放电。

双

金属片因放电而受热伸直，并与定片接触。

而后启动器因动片与定片接触，放电停止，冷却

且自动分开。

日光灯起辉过程如下：

当接通电源后，启动器内双金属动片与定片间的气隙被

击穿，连续发生火花，双金属片受热伸长，使动片与定片接触。

灯管灯丝接通，灯丝预热而发射电子，此时启动器两端电压下降，双金属片冷却，因而动片与定片分开。

镇流器线圈因灯丝电路断电而感应出很高的感应电动势，与电源电压串联加到灯管两端，使管内气体电离

产生弧光放电而发光。

因此时启动器两端所加电压值等于灯管点燃后的管压降，这个80V

左右的电压不再使双金属片打火，故启动器停止工作。

所以启动器在电路中的作用相当于一

个自动开关，镇流器在灯管启动时产生高压，有启动前预热灯丝及在正常工作时限流的作用。

日光灯工作时，灯管可以认为是一电阻负载，镇流器可以认为是一个电感量较大的感

性负载，两者串联构成一个R、L串联电路。

日光灯工作时的整个电路可用图3.2等效串联

电路来表示。

2.功率因数的提高

正弦交流电路中所消耗的平均功率：

PUIcos，其中COS称作电路的功率因数。

功率因数的高低反映了电源容量利用率的大小。

电路功率因数低，说明电源容量没有被

充分利用。

同时，无功电流在输电线路上造成无为的损耗。

因此，提高电路的功率因数成为

电力系统的重要课题。

在实际电路中，负载常为感性。

如日光灯电路因串联镇流器，它是一个电感较大的线圈，故日光灯整个电路的功率因数只有0.5左右。

感性负载功率因数较低时，可在负载两端并联

适当容量的电容器来提高电路的功率因数。

三、实验仪器和设备

1.日光灯电路板

套

2.交流电压表

块

3.交流电流表

块

4.电流插口

只

5.单相功率表

块

6.电容

若干

7•导线

若干

四、预习要求

1•预习日光灯的工作原理。

2.熟悉R、L串联电路中电压与电流的相量关系。

3.在R、L串联与C并联的电路中，你准备如何求cos值？

4•感性负载如何提高功率因数？

5.在感性负载两端并联适当电容后，电路中哪些量发生了变化，如何变？

哪些量不变,为什么?

五、实验内容及步骤

1•按图3.3接好电路，其中瓦特表电压线圈与电路并联，电流线圈与电路串联，并注意其同名端。

合上电源开关Si,断开S2,接通电源，观察日光灯的启动过程。

2.测量日光灯电路的端电压U、灯管两端电压Ud、镇流器两端电压Url、电路电流I

即日光灯电流Id和电路总功率P,并计算功率因数cos，将数据填入表3.1中。

3•合上开关S2，将日光灯电路两端并联电容C。

逐渐加大电容量，每改变一次电容

量，都要测量端电压U、灯管两端电压Ud、镇流器两端电压Url、电路电流I、日光灯电流

Id、电容器电流Ic和电路总功率P,并计算功率因数cos,。

将测量数据填入表3.1中。

镇流器

ZD灯管

~220V:

URL

启动器

图3.3日光灯并联电容电路

表3.1

电容

测

量数据

计算

（卩F）

Url

cos

1.0

2.2

4.7

六、实验报告要求

1•选择适当比例，依据表3.1中的数据绘出电压三角形，并由三角形计算出镇流器的电阻压降Ur、电感压降UL各是多少伏？

2•测得的Ud+Url丰U，为什么？

3•画出并联电容C后一组数据的电流相量图，分析在感性负载并联适当电容后为何可以提高功率因数。

4•在并联电容提高电路的功率因数时，电容的选择应考虑哪些原则？

5•并联电容前后测得P的大小不变，为什么？

实验四三相交流电路

一、实验目的

1掌握三相负载的正确联接方法。

2•进一步了解三相电路中相电压与线电压、相电流与线电流的关系。

3•了解三相四线制电路中中线的作用

二、实验原理

1三相电源：

星形联接的三相四线制电源的线电压和相电压都是对称的，其大小关系为Ul--3Up，三相电源的电压值是指线电压的有效值。

2•负载的联接：

三相负载有星形和三角形两种联接方式。

星形联接时，根据需要可以

联接成三相三线制或三相四线制；三角形联接时只能用三相三线制供电。

在电力供电系统中，

电源一般均为对称，负载有对称负载和不对称负载两种情况。

3•负载的星形联接：

带中线时，不论负载是否对称，总有下列关系:

3，

无中线时，只有对称负载上述关系才成立。

若不对称负载又无中线时，上述电压关系不成立,

故中线不能任意断开。

4•负载的三角形联接：

负载作三角形联接时，不论负载是否对称，总有Ul=Up。

对称

负载时Il--3Ip;不对称负载时，上述电流关系不成立。

三、实验仪器和设备

1.交流电压表1块

2.交流电流表1块

3.电流插孔4只

4•白炽灯6只

5•导线若干

四、预习要求

1.复习三相交流电路有关内容。

2.负载作星形或三角形联接，取用同一电源时，负载的相、线电量（U、I）有何不同?

3.对称负载作星形联接，无中线的情况下断开一相，其它两相发生什么变化？

能否长

时间工作于此种状态?

五、实验内容及步骤

1•测量实验台上三相电源的线电压和相电压，将测量数据记于表4.1中。

表4.1

线电压（V）

相电压（V）

Uuv

Uvw

Uwu

平均值

2•按图4.1,将负载作星形联接接好线路。

分别在下列四种情况下，观察灯泡亮度的变

化，测量三相线电压、负载相电压、线电流（即相电流）、中线电流和两中点电压，并将测

量数据记于表4.2中。

（1）负载对称，有中线;

（2）负载对称，无中线;

（3）负载不对称（将U相两个灯泡全部关掉），有中线;

（4）负载不对称，无中线。

图4.1三相负载星形联接电路图

SFU

表4.2

项曰

线电压（V）

负载相电压（

V）

线电流（A）

UNN'

Uuv

Uvw

Uwu

UUN'

UVN'

UWN'

（A）

（V）

对称

有中线

负载

无中线

负载

有中线

不对称

无中线

3•将三相电源线电压调成220V，按图4.2，负载作三角形联接接好线路。

分别在负载

对称和不对称（将U、V相两个灯泡全部关掉）两种情况下，观察灯泡亮度的变化，测量三

相线电压（即负载相电压）、负载线电流，并将测量数据记于表4.3中。

按图4.3改线，在上述两种情况下分别测量相电流，并将测量数据记于表

4.3中。

项目

线电压（V）

线电流（A）

相电流（A）

Uuv

Uvw

Uwu

Iuv

Ivw

Iwu

对称负载

不对称负载

表4.3

六、注意事项

1.本次实验中电压较高，电路改接次数较多，要防止发生短路事故。

切记“先接线，再通电；先断电，再拆线”。

2•实验时，白炽灯发热，要防止烫伤。

七、实验报告要求

1.根据测量数据，验证电源线电压和相电压的关系。

2•根据测量数据，分别验证星形和三角形联接时，对称和不对称情况下，各相值与线值的关系。

3•根据实验结果，说明中线的作用。

在什么情况下必须有中线，在什么情况下可不要

中线。

实验五三相功率的测量

一、实验目的

1.学习应用三表法和两表法测量三相电路的有功功率。

2.进一步熟悉功率表的使用方法。

、实验原理

P决定于

根据电动式功率表的基本原理，在测量交流电路中负载上的功率时，其读数

PUIcos

式中：

U为加在功率表电压线圈上电压的有效值，I为流过功率表电流线圈的电流有效值，

为u、i之间相位差。

若测量三相负载所消耗的总功率P,可用功率表分别测量出每一相的功率，然后求其和，

即P=P1+P2+P3。

此方法称为三表法，如图5.1所示。

若为对称负载，则可测其中一相功率再乘以3即为

三相总功率。

图5.1用三表法测量三相功率

而在三相三线制电路中，通常用两只功率表测量三相功率，此法称为两表法，如图5.2

图5.2用两表法测量三相功率

所示。

三相总功率为：

PP1P2。

用二瓦特表法测量三相功率时，应注意以下问题：

（1）二瓦特表法适用于对称或不对称的三相三线制电路，而对于三相四线制电路一般不适用。

（2）两瓦特表法的接法：

首先将功率表的电流线圈中带“*”端与电压线圈带“*”端

用一短路线连接，然后将两功率表的电流线圈分别串接于任意两火线上，两功率表的电压线圈的另一端（不带“*”端）则须同时接到没有接入电流线圈的火线上。

（3）在对称三相电路中，两只功率表的读数与负载功率因数之间的关系如下：

1负载为纯电阻时，两只功率表的读数相等。

2负载的功率因数大于0.5时，两只功率表的读数均为正。

3负载的功率因数等于0.5时，某一只功率的读数为零。

4负载的功率因数小于0.5时，某一只功率表的指针会反转。

为了读数，可将转换开关由“+”转换到“—”，此时该表读数应取负值。

三、实验仪器和器件

1.单相功率表

2块

2.电流插孔

3只

3.白炽灯

6只

4.导线

若干

四、预习要求

1．自学有关三相功率的测量方法。

2．了解用两表法测量功率应注意的有关事项。

五、实验内容及步骤

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