任務一 測量電路的電壓和電位

知識講解一 電路的概念

1.電路及其組成

簡單地講，電路是電流通過的路徑。實際電路通常由各種電路實體部件（如電源、電阻器、電感線圈、電容器、變壓器、儀表、二極管、三極管等）組成。每一種電路實體部件具有各自不同的電磁特性和功能，按照人們的需要，把相關電路實體部件按一定方式進行組合，就構成了一個個電路。

手電筒電路、單個照明燈電路是實際應用中的較為簡單的電路，而電動機電路、雷達導航設備電路、計算機電路，電視機電路是較為復雜的電路，但不管簡單還是復雜，電路的基本組成部分都離不開三個基本環節———電源、負載和中間環節（導線、開關）。

圖211所示的手電筒照明電路中，電池作為電源，燈作為負載，導線和開關作為中間環節將燈和電池連接起來。

圖211 手電筒照明實際電路

2.電路的種類及功能

工程應用中的實際電路，按照功能的不同可概括為兩大類：一是完成能量的傳輸、分配和轉換的電路，這類電路的特點是功率大、電流大，如家中的照明電路，電能傳遞給燈，燈

圖212 擴音機電路

將電能轉化為光能和熱能；二是實現對電信號的傳遞、變換、儲存和處理的電路。如圖212所示為一個擴音機的工作過程，話筒將聲音的振動信號轉換為電信號，即相應的電壓和電流，經過放大處理后，通過電路傳遞給揚聲器，再由揚聲器還原為聲音。這類電路特點是功率小、電流小。

3.電路模型

在電路理論中，為了方便對實際電路的分析和計算，通常在工程實際允許的條件下對實際電路進行模型化處理。將實際電路器件理想化而得到的只具有某種單一電磁性質的元件稱為理想電路元件，簡稱電路元件。每一種電路元件體現某種基本現象，具有某種確定

的電磁性質和精確的數學定義。常用的有表示將電能轉換為熱能的電阻元件、表示電場性質的電容元件、表示磁場性質的電感元件及電壓源元件和電流源元件等。（注：書本里的電路圖沒有特別說明一般指模型圖）

把由理想電路元件相互連接組成的電路稱為電路模型。如圖211所示，電池對外提供電壓的同時，內部也有電阻消耗能量，所以電池用其電動勢E和內阻R₀的串聯表示；燈除了具有消耗電能的性質（電阻性）外，通電時還會產生磁場，具有電感性。但電感微弱，可忽略不計，于是可認為

圖213 手電筒電路的

電路模型

燈是一電阻元件，用R表示。圖213所示電路是圖211所示電路的電路模型。

知識講解二 電位、電壓和電動勢

1.電壓

電壓的定義：U_ab在數值上等于單位電荷受電場力把電荷由a點移動到b點所做的功W，與被移動電荷電荷量q的比值，則電壓定義式表示為

U_ab=W_ab

（211）

q

式中 q———由a點移動到b點的電荷量，C（庫[侖]）；

W_ab———電場力將q由a點移動b點所做的功，J（焦[耳]）；

U_ab———a、b兩點間的電壓，V（伏[特]）。

如果電壓的大小及方向都不隨時間變化，則稱之為穩恒電壓或恒定電壓，簡稱為直流電壓，用U表示。如果電壓的大小及方向隨時間變化，則稱之為變動電壓。對電路分析來說，一種最為重要的變動電壓是正弦交流電壓（簡稱交流電壓），其大小及方向均隨時間按正弦規律作周期性變化。交流電壓的瞬時值要用u或u（t）表示。在電路中提供電壓的裝置是電源。

電壓在國際單位制中的主單位是伏[特]，簡稱伏，用符號V表示。1伏[特]等于對1庫侖的電荷做1焦耳的功，即1V=1J/C。強電壓常用千伏（kV）為單位，弱小電壓

的單位可以用毫伏（mV）、微伏（μV）。它們之間的換算關系是：1kV=1000V，1V=1000mV，1mV=1000μV。

2.電位

正電荷在電路中某點所具有的能量與電荷所帶電量的比稱為該點的電位。討論電位問題時，首先要選定參考點（假定該點電位為零）。其他點的電位等于該點與參考點間的電壓。比參考點高的電位為正，反之為負。可見，電路中各點的電位是相對的，與參考點的選擇有關。如用符號V_a表示a點電位，V_b表示b點電位。若V_a＞V_b，選取a點為參考

點，即V_a=0，則V_b＜0；若選取b點為參考點，即V_b=0，則V_a＞0。不論如何選取參考

點，a點電位永遠高于b點電位。

由此可見，電場力對正電荷做功的方向就是電位降低的方向。因此，規定電壓的方向由高電位指向低電位，即電位降低的方向。電壓的方向可以用高電位指向低電位的箭頭表示，也可以用高電位標“+”，低電位標“-”來表示。

電路中電壓大小的計算：在電路中a、b兩點間的電壓等于a、b兩點間的電位之差，即

U_ab=U_a-U_b

（212）

兩點間的電壓也稱為兩點間電位差。講到電壓必須說明是哪兩點間的電壓。在電路計算時，無法確定電壓的真實方向，常事先選定參考方向，用“+”、“-”標在電路圖中。如果計算結果電壓為正值，則電壓的真實方向與參考方向一致；如果計算結果電壓為負，則電壓的真實方向與參考方向相反。

【例211】在電場中有a、b、c三點，某電荷電荷量q=500C，電荷由a點移動到b點電場力做功2J，電荷由b點移動到c點電場力做功3J，以b為參考點。試求a點和c點電位。

解：以b點為參考點，則V_b=0V，根據電壓定義式有

U_ab=Wqab=5×210^-2=40（V）

又因為

U_ab=V_a-V_b

則

V_a=40V

同理

U_bc=Wqbc=5×310^-2=60（V）

則

U_bc=V_b-V_c，0-V_c=60，V_c=-60V

3.電動勢

電動勢是用來表征電源生產電能本領大小的物理量。在電源內部，把正電荷從低電位點（負極板）移動到高電位點（正極板）反抗電場力所做的功與被移動電荷的電荷量之比，稱為電源的電動勢。電源電動勢定義式為

E=

W q

（213）

式中 W———電源力移動正電荷所做的功，J（焦[耳]）；

Q———電源力移動的電荷量，C（庫[侖]）；

E———電源電動勢，V（伏[特]）。

電源電動勢的方向規定為由電源的負極（低電位點）指向正極（高電位電）。在電源內部的電路中，電源力移動正電荷形成電流，電流的方向是從負極指向正極；在電源外部

電路中，電場力移動正電荷形成電流，電流方向是從電源正極流向電源負極。

技能訓練 測量電路的電位、電壓

訓練要求：先按照如圖214所示組裝連接電路，再分別測試A、B、C各點的電位，以及相互間的電壓，并做好記錄。

圖214 測試電路圖

圖215 表筆接入與量程選擇示意圖

訓練內容：1.量程的選擇

將紅、黑表筆插入對應的插孔中，選擇開關旋至直流電壓擋相應的量程進行測量，如圖215所示。如果不知道被測電壓的大致數值，需將選擇開關旋至直流電壓擋最高量程上預測，然后再旋至直流電壓擋相應的量程上進行測量。

2.開始電位測量

電路中某點對于參考點的電壓稱為該點的電位，此處選擇C點為電位參考點，將指針式萬用表與被測電路并聯，黑表筆接參考點，紅表筆接被測量點，如圖216所示。

圖216 測量A點電位示意圖

3.讀數

要根據所選擇的量程來選擇刻度讀數。4.擋位復位

將擋位開關打在OFF位置或打在交流電壓1000V擋。5.電位測量

將測量的A、B、C三點的電位值記入表211中。

表211

測試交流電壓記錄表

6.電壓測量

電壓測試時，紅表筆接高電位、黑表筆接低電位（不清楚情況下，可以先接好其中任意一表筆，另一表筆輕輕碰一下測量點，看表筆的偏轉情況，如果反偏，表示接反）。將

U_AB、U_AC、U_BC測量結果記錄表212中。

表212

測試交流電壓記錄表

知識鏈接 萬用表

萬用表是一種高靈敏度、多用途、多量限的攜帶式測量儀表，可以用來測量交流、直流電流、電壓、電阻等參數，有的萬用表還可以用來測量電容、電感以及晶體二極管、三極管的某些參數。它在電工、電子技術中是一種最常用的儀表，是電子測量和維修所必備的常用儀表。

1.萬用表的組成及一般使用方法

萬用表的基本組成主要包括指示部分、測量電路、轉換裝置三部分。

（1）指示部分。俗稱表頭，用以指示被測電量的數值。指示部分是萬用表的關鍵，其很多重要性能，如靈敏度、精確等級等都決定于表頭的性能。

圖217 指針式萬用表的表頭

指針式萬用表的指示部分通常為磁電式微安表，而數字式萬用表的指示部分則為液晶或熒光數碼顯示屏。指針示萬用表表頭的第一條刻度線為電阻值刻度（讀數時從右向左讀），第二條刻度線為交流、直流電壓、電流值

刻度（讀數時從左向右讀）。

（2）測量電路。是把被測的電量轉化為適合于表頭的微小信號，再通過轉換裝置轉換成能夠驅動指示部分指示所需的信號。最簡單萬用表的測量原理示意如圖218所示。

圖218 萬用表測量原理示意圖

（3）轉換裝置。通過它可實現萬用表的各種測量類型和量程的選擇。轉換裝置通常包括轉換開關、接線柱、輸入插孔等。轉換開關有固定觸點和活動觸點，測量時，改變開關的位置，即可接通相應的觸點，實現相應的測量功能。

萬用表（包括指針式和數字式）的測量靈敏度和精度相對來說較低，測量時的頻率特性也差（測量信號的頻率范圍45～1000Hz）；從而只能用于對工頻或低頻信號的測量，且測量交流信號時讀數為有效值。

2.指針式萬用表

指針式萬用表的型號和種類很多，不同型號的萬用表，功能也不盡相同，實際測量時，要根據需要選擇和使用合適的萬用表。一般說來，萬用表的測量靈敏度和精度越高，價格就越貴，一般以滿足測量要求為度。常用的萬用表的外形如圖219所示，下面以MF47型號為例作介紹。

（1）使用萬用表測量的一般方法。

1）根據被測電量的類型（電壓和電流等），將轉換開關置于相應的位置，然后確定測量的量程。

2）測量電壓、電流時，所選量程最好使指針偏轉在量程1/2以上位置。

3）指針式萬用表的測試表棒有正、負之分，測試電路的電量時，連接應正確；即紅色表筆接到紅色接線柱或標有“+”號的插孔內，黑色表筆接到黑色接線柱或標有“-”號的插孔內。

圖219 MF47型號

4）測量電壓時，兩表筆與被測電路測試部分并聯相接；測量電流時，則于被測電路測試部分串聯相接；測量電阻的阻值時，兩表筆于電阻的兩端相連；而測量晶體管、電容等的參數時，則應將其端子插入萬用表面板上的指定插孔。

萬用表

5）萬用表的表盤上有多條標度尺，讀數時應根據被測

電量，觀看對應的標度尺，與量程擋聯合讀出正確的測量數值。

（2）使用時的注意問題。

1）將萬用表接入電路前，應確保一定要查看所選擋位與測量對象是否相符，所選測量的類型及量程正確；誤用電流擋、電阻擋測量電壓極易造成萬用表損壞。

2）測量時，須用右手握住兩支表筆，手指不要觸及表筆的金屬部分。

3）萬用表每更換一次量程，都應先調零（兩表筆短接，調整調零旋鈕，使指針指在零點），然后再測試；在電路中測量電阻的阻值時，應斷電進行測量。

4）測量中若需轉換量程，不可帶電撥動轉換開關，必須在表筆離開電路后才能進行，以免燒壞萬用表。

5）測量結束后，應習慣將萬用表的測量轉換開關撥到“交流電壓”最大量程擋，以免自己或他人在下次使用時因粗心而造成儀表的損壞。

6）萬用表的測試表筆不能接反，否則在測量直流電量時會因正負極的反接而使指針反轉，損壞表頭部件。