2014年电工学实验指导书

实验一  基尔霍夫定律的验证

一．实验目的

1．验证基尔霍夫定律，加深对基尔霍夫定律的理解。

2．掌握直流电流表的使用以及学会用电流插头、插座测量各支路电流的方法。

3．学习检查、分析电路简单故障的能力。

二．原理说明

基尔霍夫定律：

基尔霍夫电流定律和电压定律是电路的基本定律，它们分别描述结点电流和回路电压，即对电路中的任一结点而言，在设定电流的参考方向下，应有ΣI ＝0。一般流出结点的电流取负号，流入结点的电流取正号；对任何一个闭合回路而言，在设定电压的参考方向下，绕行一周，应有ΣU ＝0，一般电压方向与绕行方向一致的电压取正号，电压方向与绕行方向相反的电压取负号。

在实验前，必须设定电路中所有电流、电压的参考方向，其中电阻上的电压方向应与电流方向一致，见图3－1所示。

三．实验设备

1．直流数字电压表、直流数字电流表；

2．恒压源（双路0～30V可调）；

3．EEL－53组件。

四．实验内容

实验电路如图3－1所示，图中的电源US1用恒压源路0～＋30V可调电压输出端，并将输出电压调到＋6V，US2用恒压源路0～＋30V可调电压输出端，并将输出电压调到＋12V（以直流数字电压表读数为准）。开关S1 投向US1 侧，开关S2 投向US2 侧，开关S3 投向R3侧。

实验前先设定三条支路的电流参考方向，如图中的I1、I2、I3所示，并熟悉线路结构，掌握各开关的操作使用方法。

1．熟悉电流插头的结构，将电流插头的红接线端插入数字电流表的红（正）接线端，电流插头的黑接线端插入数字电流表的黑（负）接线端。

2．测量支路电流

将电流插头分别插入三条支路的三个电流插座中，读出各个电流值。按规定：在结点A，电流表读数为‘＋’，表示电流流入结点，读数为‘－’，表示电流流出结点，然后根据图3－1中的电流参考方向，确定各支路电流的正、负号，并记入表3－1中。

表3－1   支路电流数据

支路电流(mA)	I1	I2	I3
计算值
测量值
相对误差

3．测量元件电压

用直流数字电压表分别测量两个电源及电阻元件上的电压值，将数据记入表3－2中。测量时电压表的红（正）接线端应插入被测电压参考方向的高电位端，黑（负）接线端插入被测电压参考方向的低电位端。

表3－2 各元件电压数据

各元件电压（V）	US1	US2	UR1	UR2	UR3	UR4	UR5
计算值（V）
测量值（V）
相对误差

五．实验注意事项

1．所有需要测量的电压值，均以电压表测量的读数为准，不以电源表盘指示值为准。

2．防止电源两端碰线短路。

3．若用指针式电流表进行测量时，要识别电流插头所接电流表的“＋、－”极性，倘若不换接极性，则电表指针可能反偏而损坏设备（电流为负值时），此时必须调换电流表极性，重新测量，此时指针正偏，但读得的电流值必须冠以负号。

六．预习与思考题

1．根据图3－1的电路参数，计算出待测的电流I1、I2、I3和各电阻上的电压值，记入表3－2中，以便实验测量时，可正确地选定毫安表和电压表的量程；

2．在图3－1的电路中，A、D两结点的电流方程是否相同？为什么？

3．在图3－1的电路中可以列几个电压方程？它们与绕行方向有无关系？

4．实验中，若用指针万用表直流毫安档测各支路电流，什么情况下可能出现毫安表指针反偏，应如何处理，在记录数据时应注意什么？若用直流数字毫安表进行测量时，则会有什么显示呢？

七．实验报告要求

1．回答思考题。

2．根据实验数据，选定实验电路中的任一个结点，验证基尔霍夫电流定律（KVL）的正确性。

3．根据实验数据，选定实验电路中的任一个闭合回路，验证基尔霍夫电压定律（KCL）的正确性。

4．列出求解电压UEA和UCA的电压方程，并根据实验数据求出它们的数值。

5．写出实验中检查、分析电路故障的方法，总结查找故障的体会。

实验二  戴维南定理的验证

一．实验目的

1．验证戴维南定理的正确性，加深对该定理的理解。

2．掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。

二．实验原理

1．戴维南定理

戴维南定理指出：任何一个有源二端网络如图6－1（a），总可以用一个电压源US和一个电阻RS串联组成的实际电压源来代替如图6－1（b），其中：电压源US等于这个有源二端网络的开路电压UOC, 内阻RS等于该网络中所有电源均置零(电压源短接，电流源开路)后的等效电阻RO。 

US、RS和IS、RS称为有源二端网络的等效参数。

2．有源二端网络等效参数的测量方法 

(1)开路电压、短路电流法 

在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压UOC, 然后再将其输出端短路，测其短路电流ISＣ，且内阻为： 。

若有源二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。 

(2)伏安法 

一种方法是用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性曲线，如图6－2所示。开路电压为UOC，根据外特性曲线求出斜率tgφ，则内阻为：

。

另一种方法是测量有源二端网络的开路电压UOC，以及额定电流IN和对应的输出端额定电压UN，如图6－1所示，则内阻为：。

(3)半电压法 

如图6－3所示，当负载电压为被测网络开路电压UOC一半时，负载电阻RL的大小（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻RS数值。

(4)零示法 

在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大的误差，为了消除电压表内阻的影响，往往采用零示测量法，如图6－4所示。零示法测量原理是用一低内阻的恒压源与被测有源二端网络进行比较，当恒压源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为“0”，然后将电路断开，测量此时恒压源的输出电压U，即为被测有源二端网络的开路电压。

三．实验设备

1．直流数字电压表、直流数字电流表；

2．恒压源（双路0～30V可调）；

3．恒源流（0～200mA可调）；

4．EEL－53组件；

5．EEL－51N组件。

四．实验内容

被测有源二端网络如图6-5所示.。

 

1．在图6-5所示线路接入恒压源US＝12V和恒流源IS＝20mA及可变电阻RL。

测开路电压UOC：在图6－5电路中，断开负载RL，用电压表测量开路电压UOC，将数据记入表6－1中。

测短路电流ISＣ：在图6－5电路中，将负载RL短路，用电流表测量短路电流ISＣ，将数据记入表6－1中。

表6-1

Uoc(V)	Isc(mA)	Rs=Uoc/Isc

2．负载实验 

测量有源二端网络的外特性：在图6－5电路中，改变负载电阻RL的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表6－6中。并计算有源二端网络的等效参数US和RS。

 表6-2

RL()	990	900	800	700	600	500	400	300	200	100
U(V)
I(mA)

3．验证戴维南定理

测量有源二端网络等效电压源的外特性：图6－1(ｂ)电路是图6－5的等效电压源电路，图中，电压源US用恒压源的可调稳压输出端，调整到表6－1中的UOC数值，内阻RS按表6－1中计算出来的RS（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻RL 的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表6－3中。

表6-3 有源二端网络等效电流源的外特性数据 

RL()	990	900	800	700	600	500	400	300	200	100
U(V)
I(mA)

测量有源二端网络等效电流源的外特性：恒流源调整到表6－1中的ISC数值，内阻RS按表6－1中计算出来的RS（取整）选取固定电阻。然后，用电阻箱改变负载电阻RL 的阻值，逐点测量对应的电压、电流，将数据记入表6－4中。

表6－4 有源二端网络等效电流源的外特性数据 

RL()	990	900	800	700	600	500	400	300	200	100
UAB(V)
I(mA)

4．测定有源二端网络等效电阻(又称入端电阻)的其它方法：将被测有源网络内的所有源置零(将电流源IＳ去掉，也去掉电压源，并在原电压端所接的两点用一根短路导线相连)，然后用伏安法或者直接用万用表的欧姆档去测定负载RＬ开路后A.,B两点间的电阻，此即为被测网络的等效内阻Req或称网络的入端电阻R1。

Req=      ()

5．用半电压法和零示法测量被测网络的等效内阻Ro及其开路电压Uoc。

6．用半电压法和零示法测量有源二端网络的等效参数

半电压法：在图6－5电路中，首先断开负载电阻RL，测量有源二端网络的开路电压UOC，然后接入负载电阻RL，调节RL直到两端电压等于为止，此时负载电阻RL的大小即为等效电源的内阻RS的数值。记录UOC和RS数值。

零示法测开路电压UOC：实验电路如图6－４所示，其中：有源二端网络选用网络1，恒压源用0～30V可调输出端，调整输出电压U，观察电压表数值，当其等于零时输出电压U的数值即为有源二端网络的开路电压UOC，并记录UOC数值。

五．实验注意事项 

1．测量时，注意电流表量程的更换。 

2．改接线路时，要关掉电源。

六．预习与思考题 

1．如何测量有源二端网络的开路电压和短路电流，在什么情况下不能直接测量开路电压和短路电流？ 

2．说明测量有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并比较其优缺点。

七．实验报告要求

1．回答思考题。

2．根据表6－1和表6－2的数据，计算有源二端网络的等效参数US和RS。

3．根据半电压法和零示法测量的数据，计算有源二端网络的等效参数US和RS。

4．实验中用各种方法测得的UOC和RS是否相等？试分析其原因。

5．根据表6－2、表6－3和表6－4的数据，绘出有源二端网络和有源二端网络等效电路的外特性曲线, 验证戴维南定理和诺顿定理的正确性。

6．说明戴维南定理的应用场合。