電工實驗的擴(kuò)展研究

楊旭

摘要：電工實驗研究的目的就是使學(xué)生了解一些常用的電氣設(shè)備和元器件，并且使學(xué)生理解一定的電工線路，使同學(xué)學(xué)會使用一些常用的電工儀器儀表，并且掌握測量電路的基本方法和一般的安全用電知識，要求學(xué)生通過實際動手操作，培養(yǎng)學(xué)生們獨立思考、獨立分析問題和獨立實驗的能力。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)定律；基爾霍夫定律；疊加原理；戴維南定理；等效變換

電工實驗具有培養(yǎng)具有電工技術(shù)知識和實驗科學(xué)技術(shù)的人才的作用，其目的是使學(xué)生在掌握理論知識和能綜合運用知識的基礎(chǔ)上設(shè)計出具有創(chuàng)意的較高水平層次的設(shè)計類實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，使學(xué)生的理論知識和實際動手能力結(jié)合對提高學(xué)生的動手能力很有幫助，使得學(xué)生明白所學(xué)知識的價值，明確學(xué)習(xí)的目的性，有利于使學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)激發(fā)出來。

在基爾霍夫定律實驗研究中

基爾霍夫定律是電路的基本定律。測量某電路的各支路電流及每個元件兩端的電壓，應(yīng)能分別滿足基爾霍夫電流定律（KCL）和電壓定律（KVL）。即對電路中的任一個節(jié)點而言，應(yīng)有ΣI=0；對任何一個閉合回路而言，應(yīng)有ΣU=0。對于以兩個獨立電壓源作為電源的電路，在校期間已經(jīng)經(jīng)過了同學(xué)們的驗證，若我們利用其他的電源組合是否能得到相同的結(jié)論呢？

例如，取兩個電壓為12V的電壓源、一個為10mA的電流源一個為12V的電壓源、將兩個10mA的電流源分別作為獨立源接入電路，觀察實驗結(jié)果，得出結(jié)論：對于由兩種任意獨立源組合的基爾霍夫電路，其節(jié)點同樣滿足KCL，任一回路滿足KVL。

以上的實驗研究是在線性電路上進(jìn)行的，通過不同組件的擴(kuò)展研究可以得出基爾霍夫定律在任何線性電路都適用，那么我們可以提出疑問，在非線性電路中呢還是否成立呢？

接下來我們自主組建模塊，我們可以在基爾霍夫電路模塊里串接不同的電感、二極管等非線性原件，在電壓源電壓U1=12V與電流源電流I2=10mA分別工作的情況下進(jìn)行問題的研究證明。

經(jīng)過了實驗研究，記錄實驗數(shù)據(jù)如表1所示：

由表1不難看出，I1+I2≈I3； uFA+uAD+uDE≈12V。實驗數(shù)據(jù)仍滿足基爾霍夫定律，既驗證了基爾霍夫定律仍然滿足于非線性電路中。

在疊加原理實驗的研究中

疊加原理指出：在含有多個獨立源（電壓電流）共同下的線性電路中，通過每個元器件的電流或者其兩端的電壓，都可以看成是由每個獨立源單獨工作時在該元器件上所產(chǎn)生的電流和電壓的代數(shù)和。當(dāng)電路中存在有電流源工作時，部分支路的電流或電壓不滿足疊加原理，即兩源單獨工作時該支路的電壓或者電流之和不等于兩源共同作用時的值，這是因為，例如AB端UAB，在U1單獨作用時由于電流源I2端斷路，AB端沒有電流通過，所以UAB=0；這一結(jié)果與其疊加原理的定義（通過每個元器件的電流或者其兩端電壓，可以看作是由每個獨立電源單獨工作時在該元器件上所產(chǎn)生的電流值或電壓值的代數(shù)和。）相違背，所以結(jié)果顯示的數(shù)據(jù)與預(yù)期的不符也是理所應(yīng)當(dāng)。

我們可以還可利用戴維南電路來研究疊加性。讓電壓源與電流源共同作用時，分別測出在100Ω、1000Ω、10KΩ的負(fù)載下，流過負(fù)載的電流值；一樣的，我們在電流源與電壓源分別單獨工作時，我們測出不同負(fù)載值下的電流值。實驗測量數(shù)據(jù)如表2所示：

如表2所示，在負(fù)載電壓為100Ω、1000Ω、10KΩ時，U單獨作用和I單獨作用時的電流之和為U、I共同工作時的電流，則驗證了疊加定理也在戴維南電路效性作用。

以上的實驗研究是在線性電路上進(jìn)行的，說明了疊加原理在任何線性電路都適用，那么我們可以提出疑問，在非線性電路中呢還是否成立呢？

接下來我們自主組建模塊，我們可以在基爾霍夫電路模塊里串接不同的電感、二極管等非線性原件，在兩個電壓為12V的電壓源U1和U2的不同工作情況下進(jìn)行問題的研究證明。經(jīng)過實驗研究可以得出結(jié)論：在U1U2共同作用時，電流值和電壓值為在U1單獨作用和在U2單獨工作時相應(yīng)的值之和，即我們可以基本明確疊加原理同樣在非線性電路中有效。endprint