任务2 惠斯通电桥电路测量分析

[任务导入]

电力系统中的基本元件有哪些？这些元件两端的电压和流过这些元件的电流有什么关系？发生短路时电源正、负极之间的电阻变成连接导线电阻和接头处接触电阻的和，这些电阻的和很小，此时电路中电流怎么计算？一个1GΩ的电阻和一个1Ω电阻并联后总电阻是大于1Ω还是小于1Ω？把变电站或者发电厂中110V直流电的正极直接用金属和大地相连，会发生短路事故吗？带着这些问题让我们一起开始二端网络的伏安特性分析部分内容的学习吧。

[学习目标]

1）掌握欧姆定律的应用。

2）知道电压源、电流源的特点。

3）了解电阻串联、并联电路的特点。

4）掌握分析计算等效电阻的方法。

5）掌握分析计算电压源串联等效电压源的方法。

6）掌握分析计算电流源并联等效电流源的方法。

[工作任务]

图1-2-1为惠斯通电桥电路，电源为直流电压可调，当电阻R₁、R₂、R₃、R₄满足什么关系时，电流表的读数为零？请学生不断调整4个电阻值进行尝试（注意元件额定值，不要使元件烧毁）。使R₁=R₂=100Ω，R₃=R₄=200Ω，测量I₅的值，并用电源电压求出A、C两点间电阻R_AC，比较R_AC和200Ω的大小；用一根金属导线把电源正极和大地接触，观察是否会发生短路事故。

[任务仿真]

教师使用Multisim软件按照图1-2-1连接惠斯通电桥电路。连接好电路后教师调整R₁、R₂、R₃、R₄的值，使得电流表A₁读数为零，多试几组数据，让学生总结规律；调整电阻值使R₁=R₂=100Ω，R₃=R₄=200Ω，按照电流I₅参考方向接一个电流表测量I₅的值，并用电源电压求出A、C两点间电阻R_AC，让学生比较R_AC和200Ω的大小。

[任务实施]

1.单电阻伏安特性的测量分析

1）按照图1-2-1连接电路，不接电流表A₁，R₁=R₂=100Ω，R₃=R₄=200Ω，电源使用直流电压源U_S，且U_S大小可以调节。

2）将U_S从0V调至10V，测量电阻R₁两端的电压和流过R₁的电流。

3）将实验数据填入表1-2-1中。

4）画出电阻R₁的伏安特性曲线。

2.电阻串、并联伏安特性的测量分析

1）电路连接不变，将直流电压源电压调到10V，取电阻两端电压参考方向和电流方向关联，测量电流I₁和I₄，R₁、R₂两端电压U₁、U₂及U_AC。

2）取电阻两端电压参考方向和电流关联，继续测量电流I₂、I₃、I₅，R₁和R₂串联后的电压U₁₂，以及R₃和R₄串联后的电压U₃₄。

3）对测得数据进行分析，总结串、并联电路电流和电压的关系。

3.惠斯通电桥电路的测量分析

1）图1-2-1中，取对应桥臂电阻比值相等，即R₂/R₁=R₃/R₄，例如取R₁=R₂=100Ω，R₃=R₄=200Ω。

2）电压源电压调至10V，接入电流表A₁，观察电流表数值。

3）用电压表测量B点和D点之间的电压U_BD，总结惠斯通电桥电路特征。

4.实际电压源伏安特性的测量分析

1）图1-2-1中电源使用10V电压源，A点和C点间电路用一个滑动变阻器代替。

2）将滑动变阻器的电阻值从1000Ω逐步调至10Ω，分别测量电压源两端的电压和流过电压源的电流。

3）将实验数据填入表1-2-2中。

4）画出实际电压源的伏安特性曲线。

5.实际电流源伏安特性的测量分析

1）图1-2-1中电源使用10mA电流源，A点和C点间电路用一个滑动变阻器代替。

2）将滑动变阻器的电阻值从1000Ω逐步调至10Ω，并测量电流源两端的电压和流过电流源的电流。

3）将实验数据填入表1-2-3中。

4）画出实际电流源的伏安特性曲线。

[总结与提升]

元件串联后接入电路，流过各元件的电流相同，各元件两端的电压与元件的电阻值成正比；元件并联后接入电路，各元件两端的电压相同，流过各元件的电流与元件的电阻成反比。

当惠斯通电桥电路电桥平衡时，输出电压为零，当电桥不平衡时，输出电压不为零。

实际电压源可以开路，不可以短路，所带负载和电压源内阻相比越大，输出电压越接近电源电压；实际电流源可以短路，不可以开路，所带负载和电流源内阻相比越小，输出电流越接近电源电流。

[知识链接]