1、第一章 汽车电工电子基础知识第一节 电路的基本知识一、电路的组成电路是电流通过的路径。电路是一些电气设备，电器元件，按一定的方式组合起来，构成的电流的通路。图 1-1（ a）所示为由电池、小灯泡、开关和连接导线构成的一个简单电路。当合上开关时，电池向外输出电流，电流流过小灯泡，小灯泡就会发光。1、电路的组成 一般电路是由电源、负载、中间环节三部分组成。（1）电源是提拱电能的装置，它把其他形式的能量转换为电能。例如，干电池，发电机等。（2）负载是取用电能的装置，是各种用电设备的总称它把电能转换为其他形式的能量例如：电灯、电炉、电动机等。（）导线、开关等称为中间环节。用来传送，分配电能，控制电路的
2、通断，保护电路安全正常运行。(a) (b)图 1-1 灯泡发光的电路图二、电路的基本物理量1电流电荷的定向移动形成电流，正电荷和负电荷的定向移动都形成电流。在金属导体中，电流是自由电子有规则的定向运动形成。电流的大小用电流强度来表示。电流强度简称为“电流” ，等于单位时间内通过某一导体横截面的电荷量，电流分两种，即直流电流和交流电流。单位是安培，简称安，符号为A。2电压和电位电压是电路中两点之间的电位差，它反映电场力对电荷做功的能力，数值上等于电场力把单位正电荷从电源的正极经外电路移到负极所做的功。单位是伏特，简称伏，符号为 V。在电路中任意选一点为参考点，则某点到参考点的电压就叫做这一点（相
3、对于参考点）的电位。参考点在电路图中用符号“”表示，如图 1-2 所示。在电气设备和汽车中常用大地和机壳及汽车车身作为接地点。电位用符号 V 表示，如 A 点电位记作 VA。当选择 O 点为参考点时，则 VA=UAO。电路中某一点的电位实质上就是将单位正电荷从电路中的某一点移到参考点时获得或失去的能量大小。电位与电压的关系：（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点之间的电压。因些，离开参考点讨论电位是没有意义的。 （2）参考点选的不同，电路中各点的电位值也不同，图 1-2 电位的表示但是，任意两点之间的电压是不变的。所以，电路中各点的电位值的大小是相对的，而两点之间的电压值是绝对的。3电动势非
4、电场力把单位正电荷从电源内部低电位 b 端移到高电位 a 端所做的功，称为电动势，用字母 E 表示QWE（1-1）电动势的单位与电压相同，也用伏（V ）表示。电动势的极性和实际方向是客观存在的。在电路中，要想维持电流流动，必须有一种外力把正电荷源源不断地从低电位处移到高电位处，才能在整个闭合的电路中形成电流的连续流动，这个任务是由电源来完成的。在电源内部，由于电源力的作用，正电荷从低电位移向高电位。在不同类型的电源中，电源力的来源不同。例如，电池中的电源力是由化学作用产生的；发电机的电源力则是由电磁作用产生的。电源电动势的实际方向由负极指向正极，即由电源的低电位指向高电位，也就是电位升高的方向
5、。4电能与电功率电流能使电灯发光、电动机转动、电炉发热，这些都说明电流通过电气设备时做了功，消耗了电能，我们把电气设备在工作时间消耗的电能（也称为电功）用 W 表示。电能的大小与通过电气设备的电流和加在电气设备两端的电压以及通过的时间成正比，即（1-2 ）UItW电能的单位是焦耳，简称焦（J） 。电气设备在单位时间内消耗的电能称为电功率，简称功率，用 P 表示，即（1-3）ItQtP电功率的单位是瓦特，简称瓦（W） 。在电工应用中，功率的常用单位是千瓦（kW） ，电能的常用单位是千瓦（kWh） ，千瓦时（kWh） ，1 千瓦时即为上度电，千瓦时与焦耳之间的换算关系是：1 度 JWkh610.3
6、10我们把电气设备在给定的工作条件下正常运行而规定的最大容许值称为额定值。实际工作时，如果超过额定值工作，会使电气设各使用寿命缩短或损坏；如果小于额定值，会使电气设备的利用率降低甚至不能正常工作。额定电压、额定电流、额定功率分别用 、NU、 来表示。NIP5电阻与欧姆定律电路中具有阻碍电流通过的作用称为电阻，电阻的单位为欧姆，简称欧。电路中流过电阻 R 的电流 I 与电阻两端的电压 U 成正比，这就是欧姆定律，其表达式如下：（1-4）IR三、电路的工作状态1.有载工作状态在有负载的工作状态下，负载电流的变化将引起端电压的变化。在图 1-3 所示电路中，当开关合上之后，就是电路的有图 1-3 电
7、路的有载工作状态载工作状态。电路中的电流为（1-5）0RUILS当电压源 和内电阻 为定值时，由上式可见，负载电阻越小，则电路中的电流越SU0R大。负载电阻两端的电压为（1-6）IRUISL02开路状态若图 1-4 所示电路中的开关是断开的，或者电流过大使熔断器熔断等，电路即处于开路状态，又叫做断路状态或空载状态。开路时，外电路的电阻对电源来说等于无穷大，因此电路中的电流为零。此时负载上的电流、电压、功率都等于零。开路时电源的端电压叫做开路电压，用 表示。U由于开路时电流 ，故开路电压 ，即开路电压等于电源电压。0I SSUIR3短路状态在正常状态下工作的电路中，如果电路由于绝缘损坏或接线不当
8、或操作不慎等原因，使负载端或电源端造成电源线直接触碰或搭接，则形成电路的短路状态。电源和负载都被短路状况如图 l5 所示。此时，电流不再流经负载，外电路的电阻对电源来讲为零。短路电流为（1-0RUIS7）由于 很小，所以短路电流 很大，一般0SI超过电源的额定电流许多倍，这样大的电流不仅在内阻 上会产生很大的功率损失，使电0R源严重发热，而且会产生很大的电磁力使设备发生机械损伤。短路后，负载上的电压、电流和功率都为零，电源所产生的电能全部被内阻 所消0R耗。即（1-8）20SSIP短路通常是一种严重故障，应该尽量防止。为此，电路中一般都要接入熔断器或其他自动保护装置，以便在发生短路时在规定的时
9、限内自动切断故障电路与电源的联系。四、电路中电阻的串联与并联1串联电路把电阻一个接一个地首尾依次连接起来，就组成串联电路，如图 1-6 所示。串联电路的基本特点是：（1）电路中各处的电流强度相等。图 1-4 电路的开路状态 1-5 电路的短路状态图 1-6 电阻的串联（2）电路两端的总电压等于各部分电路两端的电压之和。（3）串联电路的总电阻等于各个电阻之和，即（1-9）321R（4）串联电路的电压分配，串联电路中各个电阻两端的电压与它的阻值成正比，即URIU3211（1-10）I3212URIU32132并联电路把两个或两个以上电阻接到电路中的两点之间，电阻两端承受的是同一个电压的电路，叫做电
10、阻并联电路。图1-7 是三个电阻 R1、R 2、R 3 组成的并联电路。并联电路的基本特点是：（1）电路中各支路两端的电压相等。（2）电路中的总电流强度等于各支路的电流强度之和。（3）并联电路的总电阻，即（1-321R11）这就是说，并联电路总电阻的倒数，等于各个电阻的倒数之和。（4）并联电路的电流分配，并联电路中通过各个电阻的电流强度与它的阻值成反比。即（1-12）332211RIUIII第二节 磁场与磁路的基本概念一、磁场与电磁感应图 1-7 电阻的并联1磁场静止不动的带电粒子（电荷）周围存在着电场，电场对静止的电荷有电场力的作用。而运动的电荷周围不仅有电场，还有另一种看不见的物质存在，这
11、种由运动电荷产生的物质叫磁场，磁场对运动的电荷有力的作用。2电流的磁效应电流是电荷的运动形成的，因此，电流的周围就有磁场。（1）通电导体的磁场如果把磁场想象成布满沿磁场方向的磁力线，通电导体周围的磁场就是围绕导体的同心圆，磁场的方向可用右手螺旋定则判定如图 1-8 所示。（2）线圈的磁场线圈的磁场实际上是通电导体弯曲成螺旋状时的另一种形式，磁场的分布形式和方向判定如图 1-9 所示。图 l8 通电直导体周围的磁场 图 l-9 螺旋线圈产生的磁场3磁场的基本物理量（1）磁感应强度磁场的重要特性之一就是磁场对磁场中的载流导体有力的作用（电磁力） 。若把长度为、电流为 的直导体按垂直于磁感应线的方向
12、放入一磁场中，如图 1-10(a)所示，则作lI用于导体上的电磁力 与导体中通过的电F流 以及导体的长度 成正比。力的方向和Il磁感应线的方向以及电流的方向垂直，三者的关系可用左手定则来确定，如图 110(b)所示。若把同一载流导体按垂直于磁感应线的方向放入不同的磁场中或同一磁场的不同位置中， 电磁力的大小可能各不相同，而且磁场越强的地方电磁力也越大。可见，电磁力不仅与电流 和导体的长度 成正比，且Il与导体所在位置的磁场强弱有关。因此，需要引入一个用来描述磁场中各点的磁场强度和方向的物理量，这个物理量称为磁感应强度，用 来表示 。 磁感应强度 是表示磁场BB内某点的磁场强弱和方向的物理量，它
13、是一个矢量。磁感应强度与电流之间的方向关系可用右手螺旋定则来确定，其大小可用公式来衡量。（1-13）IlF磁感应强度的单位是特斯拉（ ） 。在工程计算中，有时，由于特斯拉单位太大，也常T(a) (b)图 1-10 磁场对载流导体的作用力采用高斯（ ）作为磁感应强度的单位： 相当于 。GsT1Gs40如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向相同，则这样的磁场称为均匀磁场。（2）磁通磁感应强度 （如果不是均匀磁场，则取 的平均值）与垂直于磁场方向的面积 的BBS乘积，称为通过该面积的磁通 ，即或 （1-14）S由上式可见，磁感应强度在数值上可以看成为与磁场方向垂直的单位面积所通过的磁通，故感应强
14、度又称为磁通密度。如果用磁感应线来描述磁场，使磁感应线的疏密反映磁感应强度的大小，则通过某一面积的磁感应线的总数就反映通过该面积的磁通的大小，通过垂直于磁场方向的单位面积的磁感应线数目就反映该点的磁感应强度的大小。根据电磁感应定律的公式 可知，在国际单位制中，磁通的单位是伏秒，通常称为韦dte伯（ ） 。在工程计算中，有时由于 这一单位太大，也常采用麦克斯韦（ ）作为WbWbMx磁通的单位。1 相当于 。Mx810（3）磁导率各种物质在磁场中表现是不一样的，有的会增强磁场，有的会削弱磁场，这主要与各种物质的导磁性能有关。为了衡量物质的导磁性能而引入了磁导率这个物理量，用符号表示，它的物理单位是
15、亨米（ ） 。mH/经测定，真空中的磁导率为一个常数，用 表示，有)/(10470自然界中，大多数的物质对磁场强弱影响甚微，有的物质使磁场略比真空中增强，如空气、锡、铝等；有的物质使磁场略比真空中减弱，如铜、银、石墨等，它们的磁导率而只有铁、镍、钳及其合金，他们的磁导率 很大，能使磁场大为增强，我们将0 这类物质称为铁磁材料。铁磁材料的磁导率是真空的几百倍，它能使磁场大大增强，故而通电线圈一般都绕在铁磁材料制成的铁芯外，这样就能以较小的电流产生较强的磁场，使线圈的圈数、体积、重量减小。所以在电气设备中，铁磁材料得到了广泛的应用。（4）磁场强度磁感应强度 的计算在实际中往往很难求得，因为它不仅与
16、电流、导体的形状、位置B有关，而且还与物质的磁导率有关。为了方便地计算出 ，我们引人了一个辅助物理量，B称为磁场强度，用符号 表示。H在电工技术中，用简单的形式来计算出某一区域的磁场强度，雨要计算主的磁感应强度 ，则可用公式来表示：（1-15）HB式中， 为该点处的物质磁导率。磁场强度也是一个矢量，磁场中某点的磁场强度的方向即为该点的磁感应强度 方向。B它的物理量单位是： 。磁场强度的引人不仅简化了磁场计算，而且常用来分析铁磁mA/材料的磁化状况。二、磁路的概念及基本定律1.磁路磁路就是磁通通过的路径。磁路实质上是局限在一定路径内的磁场。常见的磁路如图1-11 所示，磁路中的磁通由励磁电流产生
17、，经过铁心和空气隙而闭合，如图 1-11（a） 、（b） ；也可由永久磁铁产生，如图 1-11（c） 。图 1-11 常见电气设备的磁路2磁路欧姆定律图 1-12 为绕有线圈的铁心，当线圈中通入电流 时，在铁心中就会有磁通 通过。I实验可知，铁心中的磁通 与通过线圈的电流 、线圈匝数 、磁路的截面积 ”及磁NA导率 成正比，与磁路的长度 成反比，即l（1-16）mRFAlINlI（1-16）式中， 称为磁通势，由此而产生IFm磁通； 称为磁阻，是表示磁路对磁通具有阻AlR碍作用的物理量。上式可以与电路中的欧姆定律 对应，因而称为磁路欧姆定律。RUI为了更好地理解磁路及其基本物理量，把磁路与电路
18、的有关物理量一一对应，如表 1-1 中。表 1-1 磁路与电路有关物理量对照磁路 电路 磁路 电路磁动势 F 电动势 E 磁阻 SlRm电阻 rSlR磁通 电流 I 导磁率 导电率 r磁感应强度 B 电流密度 J 磁通 mF电流 RFI图 1-12 磁路第三节 电路中基本元件一、电阻元件的基本特性电阻元件对电路中的电流具有阻碍作用，是耗能元件。电阻器简称电阻，它是电路元件中应用最广泛的一种，其质量的好坏对电路工作的稳定性有极大影响。电阻的主要要用途是稳定和调节电路中的电流和电压，在电路中常用作于分流、分压、滤波（与电容组合） 、耦合、阻抗匹配、负载等，电阻用 符号表示。电R阻的外形结构示意图如
19、图 1-13 所示。图 1-13 常用固定电阻器外形1电阻的分类（1）按电阻体的材料和结构特征分 有线绕电阻和非线绕电阻能及敏感电阻。（2）按电阻的用途分 用通用电阻、精密电阻、高阻电阻、高压电阻和高频电阻等。2电阻的伏安特性为:（1-17）IRU电阻的伏安特性如图 1-14 所示。(a) (b) 图 1-14 电阻元件及伏安特性应当指出，式（1-17）适用于电压与电流的参考方向是关联方向，如果是非关联方向，则欧姆定律应写成 。IRU3汽车电路中电阻特性的应用（1）点火线圈产生温度点火线圈中的电阻在工作时，电流流过点火线圈会产生热量而使其温度上升。（2）接触不良造成电压降点火开关、线路连接端子
20、及蓄电池导线接头等接触不良，就会具有一定的接触电阻，接触电阻产生的电压降会使用电设备的电压降低，电流减小，造成用电设备工作不正常或不能工作。（3）接触不良造成温升电流经过接触电阻所产生的热量，会使该接触不良处温度升高。二、电容元件的基本特性电容器简称电容，它由两个极板及它们之间的介质组成。可以储存电场能量，电容元件本身不消耗能量。利用电容器充、放电和隔直、通交特性，在电路中常用于调谐、滤波、耦合、旁路、能量转换等。电容器用符号 表示。电容器的外形示意图及有关图形符号如C图 1-14 所示。图 1-15 电容器形状及图形符号1电容器的分类（1）按其结构分 有固定电容器、半可变电容器、可变电容器三
21、大类。（2）按电容器介质材料分 有电解电容器、有机介质电容器、无机介质电容器三大类。2电容器的电压、电流特性电容器是一种聚集电荷的元件，其聚集的电荷量与所加的电压成正比，即（1-18 ）Cuq当电容器（见图 1-16）极板上的电荷 q 或两极板间的电压 发Cu生变化时，电路中就会产生电流 ，在图 1-16 中所规定的参考方向Ci下，其数学表达式为（1-19）tutqidC式（1-19）表明，在某一时刻电容电路中的电流 与该时刻电容Ci电压 变化率成正比，而与该时刻电容电压 的数值无关，这一特性称为电容的动态特Cu u性：电容元件也称为动态元件。式（1-19）还表明了电容元件的一个重要特性，即：
22、如果电容的电流为有限值，则电容两端的的电压只能连续变化而不能跃变。否则，就会导致 ， ，tudCtuidC这与保持电流为有限值相违背，所以电容电压不可能发生跃变。电容是一种有“记忆”功能的元件。其电场能量 的大小与电容量 和电容两端的电压 的关系如下：CWU图 1-16 电容元件（1-20 ）2C1WU3汽车电路中电容特性应用（1）电容吸收自感电动势触点式点火系统分电器上的电容器并联于断电器触点的两端，这是利用电容电压不能突变的特性来吸收点火线圈初级绕组的自感电势，以减小触点火花和提高次级电压。（2）电容吸收高频波一些电子点火系统的点火线圈处接一个电容，用以吸收点火系统产生的高频振荡波，以减小
23、对无线电的干扰。（3）蓄电池的电压安全保护作用蓄电池相当于一个大容量的电容，用它可以吸收电路中的瞬变过电压，使电压稳定，对电路元件起到了保护作用。三、电感元件的基本特性电感器是用漆包线在绝缘骨架上绕制而成的一种能够存储磁场能量的电子元件。电感器是汽车电子线路的重要元件之一，它与电阻、电容、晶体管等元器件组合构成各种功能的电子电路。在调谐、振荡、耦合、匹配、滤波等电路中都是重要元件。电容器用符号表示。电感器的外形示意图如图 1-17 所示。L图 1-17 电感器的外形示意图1电感线圈的分类（1）按电感线圈圈芯性质分 有空心线圈和带磁芯的线圈。（2）按绕制方式不同分 有单层线圈、多层线圈、蜂房线圈等。（3）按电感量变化情况分 有固定电感和微调电感等。2电感器的电压、电流特性如图 1-18 所示，当通过线圈的电流发生变化时，由于穿过线圈的磁通也相应地发生变化，因此在线圈两端产生感应电压，以 表示，根据电磁感应定律，有Lu（1-21 ）Lditt式（1-21）就是电感元件的特性方程式。它表明：在图 1-18 电感元件及其表示符号
