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汽车电路基础知识金华九华 2020 1 8 1 1电的构成1 1物质原子与电子从电的构成开始讲解 我们周围的一切东西 固体 液体和气体 都被认为是物质 所有物质都带有电 只不过通常情况下这些物质的正负电荷相等没有表现出电的特性出来 物质由很多不同的原子与原子团组成 原子由 带正电的 质子 不带电的 中子和 带负电的 电子组成 原子核位于原子的中心 由质子和中子组成 由于质子带正电荷 中子不带电荷 因而原子核本身带正电 带负电的电子绕着原子核转 有如太阳系的行星绕着太阳转 我们知道 异性电荷相吸同性相斥 带负电荷的电子能保持在其轨道层上是因为受到带正电的原子核的吸引 1原子核 质子与中子 2电子层3电子 第一课 电的基本概念和原理 2020 1 8 2 2电子运动 电子绕原子核转动的速度正好是保持其轨道所需的速度 原子核的吸引力与运动电子的离心力之间的平衡将每个电子保持在各自的轨道 层 上 外层的电子称为价电子 价电子离原子核较远 比较易于脱离轨道 当有好的路径或导体时 电子可以从一个原子流到另一原子 此时便出现了电子流 缺失电子的原子称为正离子 有多余电子的原子称为负离子 离子寻求平衡 正离子想获得电子 负离子想除去电子 这种吸引力和排斥力构成称为电动势的电压力 2020 1 8 3 3导体与绝缘体 2020 1 8 4 第二课 电的特性 1电压和电流电压是造成电流流过导体的压力 电动势 电压力是由两个原子之间由于正负电荷量的失衡而具有的 电位差 形成的 电压可以比作水塔内生成的水压 压力是由塔顶 相当于12伏 和塔底或地面 相当于0伏 之间的位差产生的 电流是电子从一个原子到另一个原子的流动 用水塔为例 可以将电流比作从水塔到水龙头的水流 电压还是正负端之间的位差 电流是电的实际流动 记住 只有在受到电压作用时才会有电流 2020 1 8 5 2电阻电阻阻碍或限制电流在电路中的流动 所有的电路都有电阻 所有导体 如铜 银和金 都对电流有阻力 电路中电阻可以在一定条件下消失 并不是所有的电阻都是有害的 在一个正常的照明灯电路中 灯丝的电阻抵抗电流 使灯丝加热到白炽的程度 电路中如有不需要的电阻会消耗电流 造成负荷工作不正常或根本不能工作 电路的电阻越大 电流越小 由图中可以看出电阻有如水管中的一个缩颈 电阻可以阻滞或限制电流的流动 2020 1 8 6 3直流和交流电 2020 1 8 7 4影响电阻的因素 2020 1 8 8 5欧姆定律电压 电流与电阻相互间有确定的关系 在基本电路中 电流与外加电压成正比 与电阻成反比 欧姆定律可以一个公式表示 E I R或电压 电流 电阻 图中示出一个具有12伏电源 欧电阻与 安电流的电路 如果电阻变化 电流也会随之改变 当电阻变为4欧时 电流变为3安 我们还可以从欧姆定律圆来理解 三者之间的关系就可以相互转化 E IXR 或者I E R 或者R E I 2020 1 8 9 6应用欧姆定律利用欧姆定律圆来求解上图所示的问题 图中所示为一灯泡电路 电流为 安培 电压为12伏特 要求的是电阻 计算过程如下 R E IR 12伏 3安R 4欧 2020 1 8 10 7瓦特 功率 一词大家一定听说过 很多电气装置 如发电机 电风扇 电冰箱 是按其能够消耗的功率而不是产生的功率来做额定值的 瓦特是用来表示消耗功率的多少的单位 功率 电压与电流的关系用功率公式表示 P E I 在一电路中 如果电压或电流增加 则功率增加 如果电压或电流减小 则功率减小 我们也可以从功率圆来理解 三者之间的关系就可以相互转化 P EXI 或者I P E 或者E P I 如果在电阻1欧姆的用电器上施加1伏特电压 则电路内的电流强度为1安培 2020 1 8 11 8度量单位前文中我们介绍到了伏特 安培和欧姆 实际上我们在学习中还可能遇到如兆伏 毫安的说法 1兆代表一百万 千代表1000 毫代表一千分之一 微代表一百万分之一 2020 1 8 12 第三课 闭合电路 1闭合电路平常所说的电就是指流过闭合电路的电流 一个典型的现代汽车可能包含1 000多条不同的电路 有的非常复杂 不过基本原理都一样 为了能构成闭合电路 必须有电源 导体 负荷与接地 大多数汽车电路包括 电源 导体 接地路径 负荷 保护装置 控制装置 无论部件在什么位置和有多少数量 电流总是在闭合回路中流动 在汽车电路中 电流从电源出发 通过电气负载后回到接地 图中所示为一典型汽车电路中电流循行的路径 2020 1 8 13 前文已经讲到闭合电路中组成部件 接下来我们来分别介绍它们 导体是电流可以很容易通过的材料 铜为汽车电气中常用的导体 电路中的电源为闭合电路提供电压 汽车电源通是蓄电池与发电机 载荷装置是将电流转换为热 光或运动的装置 图中所示的负载荷符号代表一个前照灯或其它照明装置 在汽车上给每个系统单设一个回到蓄电池的接地线是不实际的 大多数汽车电路采用 车身接地 搭铁 构成回路 2020 1 8 14 2020 1 8 15 2发电机和电压调节器发电机是将发动机的机械能转换为可用电能的装置 发电机利用所谓电磁感应原理生成交流电 导体通过磁场发生磁感应 由于发电机发出的是交流电 故内置了一个整流器将交流电变为直流电 而发动机的转速不是恒定的电压 调节器将加到蓄电池充电电路的电压保持在预定水平上 消除发电机的功率波动与过载 使得汽车发动机在不同的转速下 发电机都能输出较稳定的电压 2020 1 8 16 3配电系统配电通常始于汽车中的配电盒 大电流配电盒内有大电流保险 可能布置在发动机舱内靠近蓄电池的位置 小电流保险通常在保险盒里 保险盒因生产厂家而异可能布置在汽车的任何位置 保险盒与配电盒的作用都是用来放置保险并为多条电路提供电源 2020 1 8 17 4串联电路电压与电压降串联电路是只有一个闭合路径供电流通过的电路 如图所示 当电路中的开关闭合时 只有一条通路可以通过电流 串联电路是最简单的电路型式 断开电路中的开关时 有电压但是没有电流 尽管电路中没有电流 但在部分电路中可能有电压 在串联电路中 通过电流时各负荷上的电压降成比例 当两个负荷电阻值相等时 如果测量电压 可以看到在A B C点测量的电压分别是12伏 6伏和0伏 2020 1 8 18 5串联电路中的电流和电阻在串联电路中 只有一条路径供电流通过 电流通过各负荷后经接地回到蓄电池 由于串联电路中只有一条电流通路 电路中任何一处断开 称为开路 都会使电流中断 每个负荷都对电流构成一定阻力 串联的负荷越多 电路中的总电阻越大 电流就越小 串联电路中流过负载的电流都是相同的 如图中A B C三点的电流都是2A 串联电路的总电阻可将各电阻加在一起 电阻在电路中处于什么位置无关紧要 2020 1 8 19 6并联电路我们现在介绍并联电路 并联电路是有一条以上电流通路的电路 在并联电路中 每个分支上都加有蓄电池电压 增加分支不减少可用电压 每个分支上的电压相等 换句话说 并联电路的每个分支有如一个单独的串联电路 大多数汽车电路都是并联电路 并联电路有一个很大的优点 如果一个负荷或分支断开后 其它分支仍可正常工作 电路的总电流等于各支路电流的和 计算并联电路总电阻要稍微复杂些 在图示电路中 最小的电阻为 欧姆 总电阻为 欧姆 实际计算时 可以用电路的电源电压除以各分支电流之和 电源电压为12伏 一分支电流为2安 另一分支电流为1安 总电流为1安 2安 3安 12伏 3安 4欧 此为电路总电阻 2020 1 8 20 7常见的电路故障对地短路是在电路的电源侧和接地侧之间出现了一条不需要的路径 发生这种情况时 电流会绕过本应经过的负荷 这样会造成很大的电流 过大的电流会使保险熔断 在图示电路中 短路使电流绕过断开的开关和负荷直接入地 对电源短路与地短接类似 在图示电路中 有一条通路绕过开关直接加到负荷上 这样即使没有接通开关 灯泡也点亮 开路是指非闭合回路 由于不再有闭合回路 因而没有电流 电路 断开 在图示电路中 开关断开电路 中断了电流 有的开路是有意的 有的则并非本意 图中示出了一些无意 开路 的例子 包括熔断的保险 摘开电压源 断线 分段接地线和烧坏的灯泡 2020 1 8 21 第四课基本控制装置 1蓄电池蓄电池是当发动机低速运转 发电机电压低于蓄电池的充电电压时 由蓄电池向用电设备供电 当发动机中 高速运转 发电机电压高于蓄电池的充电电压时 蓄电池将发电机的剩余电能储存起来 当发电机过载时 蓄电池协助发电机向用电设备供电 蓄电池还可以吸收电路中的瞬时过电压 保持汽车电器系统电压的稳定 保护电子元件 2020 1 8 22 第四课基本控制装置 2二极管在某些供水系统中 有一些单向阀或止回阀只允许水流向一个方向 在电气系统中同样也有这样的单向阀 只允许电流在电路中流向一个方向 这种单向阀就叫二极管 二极管是利用半导体的特性制成的 二极管是一种简单的半导体器件 用来阻止电流流向不需要的方向或路径 二极管一般由经过特殊改性的硅制成 在加有足够的正确极性的电压之前起绝缘体的作用 当加有正确方向 极性 的电压时 二极管变为导体 电流通过电路 2020 1 8 23 3电容电容器用于吸收或存储电荷 电容器由两个或多个导电极板中间夹不导电材料构成 直流电不能通过电容器 但交流电可以 不过实际上可以有微量的直流电通过 这对于吸收电压尖峰 防止触点断开时起弧是有用的 2020 1 8 24 4晶体管晶体管是有三个引线的半导体器件 在一根引线上加一个很小的电流或电压就可以控制在另两个引线间流过的大得多的电流 晶体管有多种不同的型式 汽车电路中用得最多的是NPN 负 正 负 型晶体管 当基极与发射极之间的电压差小于0 6伏时 晶体管截止 如果电压差增加到0 6伏 晶体管导通 电流通过负荷与晶体管从集电极到发射极 电流量取决于从基极到发射极的电流 另一种晶体管型式是PNP型 PNP型晶体管的工作原理与NPN型晶体管相似 区别只是当发射极与基极之间的电压为0 6伏时PNP型晶体管导通 2020 1 8 25 5电器保护装置在有些情况下 电路中的电流可能很大 如果电路没有某种保护措施 短路可能会使全部可用电流都从该处通过 如果电流大于设计的承载能力 导线可能过热并燃烧 所以每条电路中包含有一个或多个保护装置用来防止导线或电子元件受到损坏 保护装置可以是保险 熔线 断路器或其组合 汽车上有的计算机具有自我保护功能 在过载或电压超过规范值时会自行关机 2020 1 8 26 6保险丝保险是插入件 两端间接有一个可以熔化的导体 设计保证当通过的电流超过规定值时保险便熔断 并能够在修复电路故障后更换 保险有四个基本类型 管形保险 大保险 标准叶片式保险与小保险 叶片式保险在汽车上最常见 有特定的额定电流和色标 保险上标有额定电压和额定电流值的永久性标记 2020 1 8 27 7熔线熔线装在靠近电源处 在难以使用保险或断路器的场合 通常用熔线来保护大部份汽车导线 发生过载时 熔线中较细的线段部分会先熔断将电路断开避免线路受损 2020 1 8 28 8断路器断路器可以是一个单独的插件 也可以是装在开关或电机电刷座中的一个部件 当超过规定的电流值时 断路器中的一组触点分将电路暂时分断 与保险不同的是 断路器每次断开后不必进行更换 断路器一般有两种型式 循环式与非循环式 循环式断路器中有一个双金属片 两种金属受热时膨胀率不一样 当双金属片中通过的电流过大时 膨胀率较大的金属由于热量积聚而弯曲 将触点打开 电路断开后 无电流通过 双金属片冷却收缩直到触点再次将电路闭合 非循环式断路器用一段高阻导线绕在双金属臂上 在触点打开时电路仍可通过这段导线维持一个高电阻通路 它所产生的热量使双金属片在电路撤去电压前不致于冷却下来将触点接通 撤去电压后双金属片才可冷却下来使电路复原 2020 1 8 29 9继电器继电器是一种利用小电流控制大电流的电动开关 给控制电路通一个小电流接通电磁铁可吸动衔铁 衔铁动作后或断开或接通装在衔铁上的触点 当继电器控制电路闭合时 电磁铁将衔铁吸向铁心 接通触点为负荷提供大电流 当控制开关断开时 没有电流到继电器线圈 电磁铁断电 衔铁回到常态位置即未动作时的位置 2020 1 8 30 2020 1 8 31 2020 1 8 32 2020 1 8 33 2020 1 8 34 1 2电的属性电是物质的属性 所有物质都带有电 只不过通常情况下这些物质的正负电荷相等没有表现出电的特性出来 所有物质都由大约100种不同的元素构成 这些元素中最小的组成部分是原子所有的物质都是由原子所组成 原子又由原子核和电子组成 电子是一种极小的 带负电荷的粒子 它们绕带正电的原子核转动 原子核里的质子是带正电荷 右图所示的原子模型该结构与行星体系的结构相似 行星 原子壳 围绕太阳 原子核 旋转 原子核位于原子的中心 它由质子和中子构成 中子是不带电荷的质量粒子 质子是带正电荷的粒子 质子和中子的质量几乎相等 1电子子2质子3中子 2020 1 8 35 原子 电子和电荷载体 锂原子结构图 1电子2中子3质子 2020 1 8 36 原子核带正电荷 原子的全部质量几乎都在原子原子核上 电子是带负电荷的粒子 原子壳内电子的数量与原子核内质子的数量相等 质子或中子的质量大约比电子质量大2000倍 原子向外呈电中性 原子核和原子壳带有相同数量的电荷 质子和电子 相反电荷之间的电引力使原子核和原子壳结合在一起 电子可借助外部能量 例如光 热和化学过程 达到更高的能量级以及由此返回初始状态 在这个过程中同时吸收或释放出能量 原子 电子和电荷载体 2020 1 8 37 电子电子在围绕原子核的几个圆形或椭圆形轨道上移动 根据具体物质 例如铜 铅 铝 最多有七条这样的轨道 这些轨道由内向外用数字1至7或大写字母K至Q命名 在每条轨道上始终只有特定数量的电子在移动 每条轨道上电子数量最多为 原子 电子和电荷载体 2020 1 8 38 在原子最外侧轨道上的电子也称作价电子 它们负责使不同原子结合在一起 原子倾向于让尽可能多的电子位于其最外侧的轨道上 为了达到这种状态 原子与其它原子形成化合物 电子多于质子或质子多于电子时将原子称为离子 离子一词来源于希腊语 表示迁移 只有几个价电子的原子很容易释放出电子 随后原子的质子便多于电子 从而变成阳离子 带有较多价电子的原子很容易吸收其它电子 以便补充其最外侧的电子壳 随后原子的电子便多于质子 从而变成阴离子 由此产生的阳离子和阴离子相互吸引 形成紧密连接的化合物 从而产生一种新的物质 至少包括两个原子的新化合物称为分子 原子 电子和电荷载体 2020 1 8 39 电荷载体电荷载体可以是电子 金属电荷载体 或离子 液态和气态电荷载体 由于外侧电子 价电子 与原子核的距离相对较远 因此这些电子与原子核的连接较弱 原子吸收能量 例如热 光和化学过程 后 价电子从原子外侧壳体上脱离 形成所谓的自由电子 自由电子从一个原子移动到另一个原子时称为电子流动或电流 电子流动不仅包括一个单独的自由电子 而是包括很多自由电子 自由电子的这种移动是不定向的 即没有任何优先移动方向 原子 电子和电荷载体 2020 1 8 40 正电荷与负电荷分别位于不同两侧时便产生了电压电源 电压电源始终具有带有不同电荷的两极 一侧是缺少电子的正极 另一侧是电子过剩的负极 在负极与正极之间有一种电子补偿趋势 即两极连接起来时电子由负极流向正极 这种电子补偿趋势称作电压 什么是电压 2020 1 8 41 下面以车辆蓄电池为例说明电压原理车辆蓄电池内的电化学过程使电荷分离 电子聚集在一侧 负极 另一侧缺少电子 正极 两极之间产生一个电势差 即电压 当两点如蓄电池两极之间存在电子数量差时就会产生电压 电压的高低取决于电子数量之差 如果用一个带有规定电阻的导体将蓄电池两极连接起来 电子就会从负极移向正极 电流一直流动 直至两极之间不存在电势差或电路断路 什么是电压 2020 1 8 42 什么是电压 2020 1 8 43 可按以下方式描述电压 电压是施加在自由电子上的压力或作用力 电压是产生电流的原因 两点或两极之间产生电荷差时就会形成电压 压力 公式符号电压的公式符号是大写的U 计量单位电压U的计量单位是1伏特 V 什么是电压 2020 1 8 44 测量电压用电压表测量电压 测量电学参数 电压 电流 电阻 时通常使用一个数字万用表 电压表始终与用电器 元件或电压电源并联在一起 什么是电压 2020 1 8 45 为了不影响待测电路 电压表内阻应尽可能大 在电压电源上测量时测量瞬时电压 用电压表测量时要注意以下几点 必须设置电压类型 即交流电压或直流电压 AC DC 开始时应选择较大的测量范围 量程 测量直流电压时注意极性 测量后要将电压表调到最大的交流电压量程 什么是电压 2020 1 8 46 电压类型1直流电压电压值和极性保持不变的电压称为恒定 理想 直流电压 电压值变化和极性保持不变的电压称为直流电压 最常用的直流电压电源包括原电池 蓄电池 相应的发电机 部分接有整流器 光电池 太阳能系统 和开关模式电源 在技术领域还通常组合使用变压器和整流器 什么是电压 2020 1 8 47 什么是电压 一些直流电压电源示例1 车辆蓄电池2 纽扣电池3 1 5伏电池4 移动电话的充电电池5 太阳能电池在此有几个电压值示例 闪电 几百万伏特车辆点火时 15000V车辆供电 12V电池 1 5V至9V 2020 1 8 48 电压类型2交流电压数值大小和极性不断变化的电压和电流称为交流电压和交流电流 交流电压的典型代表是家庭常用的 来自插座的电流 什么是电压 2020 1 8 49 上图显示了一个正弦交流电压 u 随时间 t 变化的情况 交流电压的特点是其方向呈周期性变化 在欧洲 交流电压为230V 频率为50Hz 该频率 通常也称为电源频率 表示每秒钟电流朝相同方向流动的次数 在此有几个电压值示例 高压架空线 最高400000V有轨电车 500V欧洲家用电器 230V电话 60V 什么是电压 2020 1 8 50 2020 1 8 51 电流是指电荷载体 例如物质或真空中的自由电子或离子 的定向移动 什么是电流 2020 1 8 52 电压是产生电流的原因 只有在闭合的电路内才有电流流动 电路由电源 例如电池 用电器 例如一个白炽灯泡 和导线组成 通过开关可使电路闭合或断开 每个电导体都带有自由电子 电路闭合时 所施加的电压使导体和用电器的所有自由电子同时朝一个方向移动 每个时间单位内流动的电子 电荷载体 数量就是电流强度 俗称电流 每秒钟内流经导体的电子越多 电流强度就越大 电流强度用电流表测量 什么是电流 1 开关2 电流表3 电阻 2020 1 8 53 公式符号电流强度的公式符号是大写的I 计量单位电流强度I的计量单位是1安培 A 今天 电流是输送和提供能量的最重要方式之一 因此今天的所有照明装置 大部分家用电器以及所有电子装置和计算机技术都用电能驱动 电流的流动可通过各种不同的效应来决定 在此主要是热效应和磁效应 什么是电流 2020 1 8 54 电流类型根据电子移动方向将电流分为直流电流和交流电流 1 直流电流最简单的情况是 电流流动不随时间而改变 这种电流称为直流电流 DC 直流电流有两个电流方向 技术电流方向 从正极流向负极 物理电流方向 电子在闭合电路内从负极流向正极 什么是电流 2020 1 8 55 在导体内的准确过程尚不清楚时 人们认定电压电源外部的电流方向为从正极流向负极 这种电流方向称为技术电流方向 虽然当时这种假设已遭到驳斥 但出于实际原因仍保留了原来 历史 的电流方向 因此 即使在今天仍将电路内部的电流方向规定为从正极流向负极 为了了解电流流动机制并找出物质的特定电气特性 人们考虑了电荷载体的实际移动情况在一个闭合电路内 负极排斥自由电荷载体 电子 正极吸引自由电荷载体 电子 因此产生一个从负极流向正极的电子流 该电流方向为物理电流方向 又称为电子流动方向 什么是电流 技术电流方向 物理电流方向 2020 1 8 56 电流类型根据电子移动方向将电流分为直流电流和交流电流 2 交流电流除直流电流外还有交流电流 AC 交流电流是指以周期方式改变其极性 方向 和电流值 强度 的电流 该定义也适用于交流电压 交流电流的特点是其电流方向呈周期性变化 电流变化频率 通常也称为电源频率 表示每秒钟内电流朝相同方向流动的次数 例如欧洲家用电流的频率为50Hz 通过发电站的发电机产生交流电压 交流电流 为此发电机内的转子旋转360度 由此产生一个极性变化的电压 即正弦曲线形式的电压 欧洲最重要的交流电压是230V电源 其频率为50Hz 这相当于发电机内的转子每秒钟旋转50圈 什么是电流 2020 1 8 57 电流类型根据电子移动方向将电流分为直流电流和交流电流 3 脉动电流如果在一个电路中直流电源和交流电源可同时起作用 就会产生脉动电流 因此 周期电流是直流电流与交流电流叠加的结果 什么是电流 2020 1 8 58 测量电流电流表始终与用电器串联在一起 为此必须断开电路导线 以将电流表加入电路中 测量时电流必须流经电流表 电流表内阻应尽可能低 以免影响电路 用电流表测量时要注意以下几点 注意电流类型 即电路中流过的是交流电流还是直流电流 AC DC 开始时应选择尽可能大的量程 注意直流电流的极性 测量后要将电流表调到最大交流电压量程 什么是电流 2020 1 8 59 电流夹钳另外一种测量电流的方法是使用电流钳 如果待测电流强度 10A 那么用电流夹钳测量电流的优势非常突出 另一个优点是测量电流强度时无需打开电路 什么是电流 2020 1 8 60 电流强度的一些示例 闪电 100000A铝熔炼炉 大约15000A电焊 500A起动机 最高250A有轨电车 大约50A熨斗 2A彩色电视 最高1A白炽灯泡 100W 230V时为0 45A便携式计算器 0 007A 什么是电流 2020 1 8 61 电流密度电流密度表示一个导体内电子挤压在一起时的紧密程度 电子越多且越紧密的聚集在一起 电子撞击原子的频率就越高 强度就越大 相撞时释放出热能 导体的温度升高 该过程可能会持续进行 直至导体赤热或燃烧 导体温度升高不仅受电流强度I的影响 而且还受到导线横截面的影响 电流密度J由这两个因素决定 一个导体内的电流挤压密度越大 受热程度就越大 公式符号电流密度的公式符号是大写的J 计量单位电流密度由以安培 A 为单位的电流和以平方毫米 mm2 为单位的导线横截面构成 因此电流密度的计量单位是A mm2 公式 什么是电流 2020 1 8 62 什么是电流 电流和电压的替代模式也可以将电压和电流与水流进行对比 在上部管路水流 高电势点 与下部管路水流 低电势点 之间存在一个高度差 位差 电压 将水流从下部泵至上部的水泵相当于电压电源 水龙头打开时水流流动 并驱动涡轮的叶轮 在此过程中进行能量转换 同理 电荷载体在电路中的导体内流动 形成从高电势点流至低电势点的电流 信号灯相当于涡轮 能量转换器 管内的水越多 到达管端部的水就越多 电流也是如此 电子数量越多 通过导体的电流强度就越大 2020 1 8 63 定义自由电荷载体在导体内部移动的结果是 自由电荷载体与原子相撞 因此电子流动受到干扰 这种效应称作电阻 该效应使电阻具有限制电路内电流的特点 电阻也称为欧姆电阻 在电子系统中 电阻的作用非常重要 除作为元件的标准电阻外 其它各部件都有一个可影响电路电压和电流的电阻值 公式符号电阻的公式符号是大写的R 英语电阻一词的第一个字母 计量单位电阻的计量单位是欧姆 符号是希腊字母 欧米加 电路符号 电阻 2020 1 8 64 测量欧姆电阻欧姆电阻值用欧姆表测量 在大多数情况下使用多量程测量仪 万用表 以免出现读数错误和不准确 测量电阻时要注意以下几点 测量期间不得将待测部件连接在电压电源上 因为欧姆表使用本身的电压电源并通过电压或电流确定电阻值 待测部件必须至少有一侧与电路分离 否则并联的部件会影响测量结果 极性无关紧要 导体的电阻导线的电阻取决于导体的尺寸 比电阻和温度 导体越长电阻值越大 导体横截面越大电阻值越小 相同尺寸的不同材料其电阻值不同 每种物质都有一个特定的比电阻 某种物质的比电阻是指温度为20 C时长1m 横截面为1mm2导体的电阻值 温度越低电阻越小 按照下列公式计算导体电阻 电阻 2020 1 8 65 下表列出了一些电工学中所用导体的比电阻 电阻 2020 1 8 66 在电工学中通常还会用到电阻的倒数 即电导率 电导率的公式符号是G 单位是西门子的缩写S 根据材料的电导率将其分为导体 非导体和半导体 导体 非导体和半导体 2020 1 8 67 导体导体分为电子导体和离子导体 电子导体由相互紧密连接的金属原子构成 金属的外壳中只有少量电子 价电子 而且这些电子很容易脱离原子 它们在原子核构成的晶格内移动相对自由 由于热能的缘故 电子在晶格内的移动非常不规则 通常不会变换位置 也不会进行电荷转移 当导体承受一个电压力即电压时 电子就会朝某个特定方向移动 电子流从负极流向正极 由于金属的晶格结构 电子可在原子之间比较自由地移动 需要注意的是 电子流不会使金属发生任何变化 但在离子导体内的情况则不同 离子导体包括导电液体 电解液 熔液和电离的气体 电荷载体既可以带正离子也可以带负离子 离子流会使物质发生变化 导体 非导体和半导体 2020 1 8 68 非导体 绝缘体 绝缘体内自由电荷载体的数量为零 因此电导率也极低 通常使用绝缘体或绝缘材料使电导体相互绝缘 非导体包括塑料 橡胶 玻璃 陶瓷 纸等固体以及纯水 H2O 油和油脂等液体 也包括特定条件下的真空和气体 半导体半导体的电导率介于金属和绝缘体之间 半导体与导体的区别在于 价电子首先在压力 温度 光照或磁力等外部影响下释放出来 之后才具有导电性 半导体材料包括硅 锗和硒等 导体 非导体和半导体 2020 1 8 69 机械可变电阻分为 电位器微调电位器它们具有相同的电气功能 可变分压器 电位器的电阻值可随时改变 而微调电位器的电阻值只能在进行调节时偶尔改变 电位器装在防尘套内 有一个轴 机械可变电阻 2020 1 8 70 至今我们都假设 一个电压电源始终提供规定电压U 例如扁电池提供4 5V电压 但当接通一个或多个能量转换器 俗称用电器 例如灯泡 发电机等 时 所有电池和大部分供电单元都会出现电压降 例如 将一个4 5V 2W灯泡接到扁电池上时 电压就会由4 5V降到4 3V 原因在于电压电源 电池 的内阻Ri 电压电源的内阻 2020 1 8 71 可将实际中的电池想像成一个由理想恒压电源 电源电压为Uq 电阻为内阻Ri 组成的串联电路 当然实际上并没安装什么电阻 这只是一个示意图 一个 替代电路图 电源电压Uq保持不变 即不受电流I的影响 现在通过能量转换器RL 负载电阻 外阻 用电器 向内阻为Ri 电源电压为Uq 电动势 的电压电源施加负荷 电压电源的内阻 2020 1 8 72 负载电阻RL不会获得接线柱A和B上的全部电源电压 因为一部分在蓄电池内阻Ri中损耗 UKL Uq Uri电流I流经外部电路时 接线柱电压就会降低I Ri 电流I流经内阻Ri时内阻上的电压降 因此接线柱电压 即电阻RL上的电压 就会随电流的升高而降低 电压电源的内阻 2020 1 8 73 欧姆定律 根据其发明者GeorgSimonOhm命名 是最重要的电工学定律之一 它描述了电压 电流和电阻之间的关系 定义欧姆定律的内容是 在恒温下一个金属导体上的电压降U与流经导体的电流强度为I的电流成正比 电压 U 电流 I 电阻 R 利用欧姆定律可计算出一个电路的三个基本参数 前提是至少已知其中的两个参数 这三个基本参数是电压 电流和电阻 欧姆定律 2020 1 8 74 欧姆定律可用以下三个公式表达 U I RI U RR U I例如 如果在电阻1欧姆的用电器上施加1伏特电压 则电路内的电流强度为1安培 电压升高时 电流也随之升高 用电器电阻升高时 在电压保持不变的情况下电流减小 魔法三角可用于辅助确定欧姆定律的不同公式 实际提示 如果很难接入电路或不允许断开电路 则要测量电路内已知电阻上的电压 随后可通过欧姆定律计算出电流 欧姆定律 2020 1 8 75 从技术角度来说 电流消耗 这种通俗的表述是不正确的 因为流入设备的电流还会再次流出 事实上 涉及普通家用电流时 电子只是在导体内短程往复 摆动 而不会有明显数量的电子从导线流入设备内 实际 流动 的是电能 电能也同样不像通俗表述的那样消耗掉 而是进行相应转换 例如转化为机械能 发动机 热能 电吹风 和化学能 例如手机电池充电时 此时所做的功 电压 电流强度和时间的乘积 由一个所谓的电度表确定 因此 电流消耗 的计量单位是能量单位 千瓦小时 而不是电流单位 安培 电功率 2020 1 8 76 公式符号电功率的公式符号是大写的P 计量单位电功率的基本单位是瓦特 W 或伏安 VA 后者通过电压和电流计算出来 计量单位VA经常可以在变压器和电机上看到 电功率P 电压U 电流和电阻之间的数学关系参见右图 电功率 可通过两个已知的电参数计算出一个未知的电参数 例如P U I 2020 1 8 77 到现在为止 我们谈及的电路都由一个电压电源和一个负载电阻构成 但在车辆上一个电压电源 车载网络供电 会同时接有很多用电器 这种电路称为扩展型电路 扩展型电路分为两种基本连接方式 并联 串联下面以电阻为用电器介绍这两种连接方式 与其它用电器连接时 例如电机 白炽灯泡或继电器 情况基本相同 在车辆电气系统中电路也用电路图来表示 与以前所示电路图的唯一区别是未画出回流导线 在多数车辆中回流导线通过车身即电气接地表示 接地用右上角电路符号表示 电路 2020 1 8 78 串联时将所有电阻依次连接在一起 电流先后经过每个电阻 也就是说必须克服总电阻 相同电流经过所有电阻时这些电阻为串联形式 总电压Utotal分布在串联电路的各个电阻上 各部分电压之和等于总电压 Utotal U1 U2 U3由于串联电路内各处的电流大小都相等 因此不同电阻的电压降 局部电压不同 电压与对应的电阻成正比 串联电路的总电阻是各串联电阻之和 Rtotal R1 R2 R3总电压分配在最大电阻上的电压降最大 总电压分配在最小电阻上的电压降最小 电阻并联和串联 电阻串联 2020 1 8 79 不是将电阻依次连接 而是将其并排连接时称为并联 在这个电路中有更大的横截面供电流通过 因此总电阻较小 并联电路的总电阻始终小于最小的单个电阻 电阻并联时 施加在所有电阻上的电压都相同 总电流在电阻的连接点处分为多个分电流 分电流的总和等于总电流 Itotal I1 I2 I3 电阻并联和串联 电阻并联 2020 1 8 80 并联电路的总电阻小于最小的单个电阻 电流可以更好地通过各个并联电阻 即电导率升高 利用下列公式计算三个电阻并联时的总电阻 电阻并联和串联 电阻并联 2020 1 8 81 基尔霍夫第一定律 节点定律 并联电阻时会出现电流的汇合点 即所谓的节点 观察节点周围的电流时会发现 流入节点的电流总量与流出节点的电流总量相等 通过节点定律可计算出某个节点处的未知电流 节点定律的内容是 在每个节点处流入的电流总量与流出的电流总量相等 或所有电流的总量为零 I1 I2 I3 I4 I5 基尔霍夫定律 2020 1 8 82 基尔霍夫第二定律 回路定律 在一个闭合电路中出现特定的电压分配现象 局部电压相加得到总电压 观察电路内的电压时会发现 电源电压Uq1和Uq2的总和分为作用在电阻R1和R2上的局部电压U1和U2 电流I使电阻R1和R2上形成电压降 通过回路定律可计算出一个未知的电源电压 回路定律的内容是 在每个闭合电路中 电源电压的总和等于所有电压降之和 或所有电压之和为零 Uq1 Uq2 U1 U2 0 基尔霍夫定律 2020 1 8 83 接触电阻经过一段时间 连接部位在空气 湿气 污物和侵蚀性气体的作用下出现氧化现象 这种氧化作用会使连接部位的接触电阻增大 根据欧姆定律 电阻增大会产生电压降 电路中的电阻增大导致电流减小 因此用电器内实际消耗的功率减小 例如 因氧化作用造成前灯导线电压降为10 时 前灯内的实际功率就会减小大约20 接触电阻较小且电流只有几安培时 电压降可以忽略不计 接有电流较大的用电器时 可能会出现严重影响用电器功能的电压降 但由于无法用万用表测量较小的接触电阻 因此必须通过测量闭合电路内的电压来确定该电阻值 最常见的电路故障 2020 1 8 84 短路在两个电极 例如电池的正极和负极接线柱 之间建立起直接的导电连接 通常是不希望出现的 时称为电气短路 短路就是电压电源的突然性电荷平衡 短路通常是由于绝缘不良或由于电气系统及电路出现电路故障造成的 在电压几乎降为零的同时 电流达到其最大值 即短路电流 该电流只能通过电源内阻Ri来限制 所有为进行平衡蜂拥而至的电子同时试图通过导体 导体无法承受这种电子流 因此导致导体上产生电火花或过热 由于短路电流没有受到限制 因此可能导致没有保险丝保护的导线或电缆过热损坏 出现较高的短路电流时保险丝必须熔断 同时以最快的速度将短路部位与其它正常的供电网络断开 根据电路情况必须尽快切断 最多0 1秒 以将电压降和短路电流的影响降至最低 否则可能会引起火灾 最常见的电路故障 2020 1 8 85 断路断路时电路无法闭合 即所需电流中断 断路通常是由于插接连接问题造成的 断路的结果是电气组件无法工作 例如白炽灯泡 加热电阻 扬声器等 最常见的电路故障 2020 1 8 86 电容器是一个能够存储电荷或电能的元件 最简单的电容器由两个对置的金属板和金属板之间的一个绝缘体组成 电容器充电和放电以下电路图中给出了电容器的充电和放电过程 电容器和电容 2020 1 8 87 通过开关闭合将一个直流电压电源连到电容器上时 就会进行电荷转移 一个电容器金属板上电子过剩 负电荷 另一个金属板上的电子不足 正电荷 短时内流过一股充电电流 直至电容器充满电 该电流可用电流表测量 电容器充满电时不再有电流流过 电流表显示0A 即使之后电压电源仍保持连接状态 随后电容器阻断直流电流 即电容器电阻变为无限大 电容器与直流电压电源断开后电容器仍保持充电状态 即两个金属板之间存在电子差 电容器存储了电能 通过改变开关位置使电容器短路时 放电电流朝反方向流动 直至两个金属板重新为电中性 或电阻内的电能转化为热能时 放电电流停止流动 电容器和电容 2020 1 8 88 如果单位时间内充电和放电过程的数量增加 例如通过施加交流电压 则单位时间内的充电和放电电流数量就会增大 因此单位时间内的电流平均值也会增大 因此电容器内的电流变大 即电容器电阻明显减小 电容性电抗 电容器在车辆上作为短时电荷存储器使用 用于电压滤波和减小过压峰值 电容器和电容 2020 1 8 89 电容电容器的存储能力称为电容 电容的单位是法拉 F 实际使用的电容器值小于一法拉 1mF 10 3F mF 毫法拉 1 F 10 6F F 微法拉 1nF 10 9F nF 毫微法拉 1pF 10 12F pF 微微法拉 电容器和电容 2020 1 8 90 电容器的充电和放电时间计算充电和放电时间时 需要知道电容器充电电流经过的电阻阻值和电容器电容值 施加的电压大小对充电时间没有影响 电容器C电容越小 电阻R越小 充电过程越快 因此电容器C与电阻R的乘积为时间常数 R C在每个时间常数 内 电容器以充放电电压的63 充电或放电 5个时间常数 后 电容器几乎完全充满或排空 电容器和电容 2020 1 8 91 电容器类型根据实