《电工与电子技术基础（第5版）》课件全套 第1-6章　直流电路-　脉冲数字电路

1第一章直流电路2目录§1-1电路的基本概念§1-2电路的基本物理量§1-3简单电路分析§1-4复杂电路分析§1-5汽车电路基础3§1-1电路的基本概念4学习目标1.了解电路的组成、作用和电路图的主要类型。2.熟悉电路图中常见的图形符号和文字符号。3.熟悉电路的三种状态。5一、电路的组成和作用1. 电路的组成电路是指电流流通的路径。如图所示为一例最简单的电路，如图所示为汽车单线制电路。最简单的电路汽车单线制电路6电路一般由以下四个基本部分组成。（1）电源电源是为电路提供电能的设备，分为直流电源和交流电源两种类型。汽车电路使用的是直流电源，内燃机汽车电源包括蓄电池（如12V蓄电池，见下图a）和发电机（如硅整流发电机，见下图b），新能源汽车电源主要包括低压辅助蓄电池（与12V蓄电池相同）和高压动力蓄电池组（见下图c）。汽车直流电源a）12V蓄电池b）硅整流发电机c）高压动力蓄电池组7（2）负载负载又称用电设备（用电器），其作用是将电能转化为其他形式的能。（3）导线导线的作用是连接设备、传输电能和信号。汽车电路中的导线就是将汽车电源与汽车用电设备连接起来的配线，如图所示。搭铁是一种特殊的导线形式。8（4）控制装置控制装置的主要作用是控制电路的通断。汽车导线a）汽车低压导线b）汽车高压导线92. 电路的作用电路的作用一般可分为两类：一类是进行电能的传输、分配和转化，如照明电路、动力电路等；另一类是进行信息的产生、处理和传输，如测量电路、通信电路、计算机电路等。10二、电路图电路图是指将实际电路中的各元器件用规定的图形符号和文字符号（或项目符号）表示，并用导线连接而成的电气关系图。下表为电路图中常见的图形符号和文字符号。11电路图中常见的图形符号和文字符号12电路图中常见的图形符号和文字符号131. 电路原理图电路原理图简称原理图，它主要反映电路中各元器件之间的连接关系，并不考虑各元器件的实际大小和相互之间的位置关系。2. 方框图方框图简称框图，它是把一个完整电路划分成若干部分，各个部分用方框表示，每个方框用文字或符号说明功能，各方框之间用直线或带箭头的直线连接起来，用以表明各部分的相互关系，而不必画出元器件和它们之间的具体连接情况。方框图只能用来表示电路的大致组成情况和工作流程，更多应用于描述较为复杂的电气系统。如图所示为汽车微机控制点火系统方框图。14汽车微机控制点火系统方框图153. 印制电路图对成批电子电路的组装，一般以覆有铜箔的绝缘薄板为基础，将电路各元器件用锡焊等方法合理地安装在这块基板上。由于电路板的制作一般先要用印制油漆的方法将需要保留铜箔处覆盖，所以这种电路元器件的安装图称为印制电路图，如图所示。印制电路图16印制电路图的元器件分布往往与原理图有较大区别。这主要是因为在印制电路图的设计中，不仅要考虑所有元器件的分布与连接是否合理，还要考虑每个元器件的体积、散热、抗干扰等因素。现在，特别是一些复杂的电路已广泛采用计算机进行印制电路板的辅助设计，印制电路板也逐渐从单面、双面发展为多面形式。如图所示为双面印制电路板。双面印制电路板a）印制电路板正面b）印制电路板反面17三、电路的三种状态1. 通路通路也称闭路，如下图a所示，是指电流从电源的正极沿着导线经过负载最终回到电源的负极而形成闭合路径。通路是电路的正常工作状态。电路的三种状态a）通路b）断路c）短路182. 断路断路也称开路，如上图b所示，是指电路某处因某种需要或发生故障而断开，不能构成回路，此时电路中的电流为零。在实际电路中，导体的接触面有氧化层或脏污、接触面过小、接触压力不足等都会造成电阻过大的现象，严重时也会造成断路。193. 短路短路是指由于电路中的某元器件内部击穿损坏或被导线直接短接等，电流未经过该元器件或负载而直接从电源正极到达负极。短路通常是一种不正常的现象，应尽量避免。如上图c所示为负载被导线直接短接的现象，此时电路中的电流很大。在检查和维修电路时，有时会采用将电路某一部分临时短路的辅助方法，该操作必须在确保安全的条件下进行。20§1-2电路的基本物理量21学习目标1.掌握电流的基本概念，了解直流电流和交流电流的特点。2.掌握电压的基本概念，理解电压、电位、电动势三个物理量之间的联系和区别。3.理解电功和电功率的概念。4.掌握电阻的基本概念，了解电阻的类型、主要参数和应用。5.会用万用表测量电流、电压和电阻。22一、电流电荷的定向移动形成电流。自由电子定向运动可以产生电流。如果电路闭合，所有导线和用电设备中的自由电子将在电源电动势的作用下向一定的方向移动，从而形成电流。物质的带电微粒（离子）的定向移动也可以形成电流，从而实现离子导电。231. 电流的大小电流的大小用单位时间所通过的电荷量来表示。通过导体横截面的电荷量q

与通过这些电荷所用时间t

的比值称为电流，通常用I表示，即电流的单位为安培，简称安（A），电荷量的单位是库仑（C），时间的单位是秒（s）。如果在1s内通过导体横截面的电荷量为1C，则导体中的电流就是1A。常用的电流单位还有毫安（mA）、微安（μA）等。它们的换算关系是1mA=10-3A1μA=10-3mA=10-6A242. 电流的方向在进行电流的分析与计算时，习惯上把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向，因此，电流的方向实际上与自由电子和负离子移动的方向相反，如图所示。电流的方向a）金属中的电流b）电解液中的电流25若电流的方向不随时间变化，则称其为直流电流，简称直流，用符号DC表示。其中，大小和方向都不随时间变化的电流称为稳恒直流电流（见下图a）；大小随时间变化，但方向不随时间变化的电流称为脉动直流电流（见下图b）。若电流的大小和方向都随时间变化，则称其为交流电流（见下图c），简称交流，用符号AC表示。26直流电流和交流电流a）稳恒直流电流b）脉动直流电流c）交流电流273. 电流的三大效应1）热效应。导体通电时会发热，这种现象称为电流的热效应。2）磁效应。通电导体周围存在与电流方向有关的磁场，这种现象称为电流的磁效应。3）化学效应。电流的化学效应是指电流通过导电液体时引发化学变化并产生新物质的现象，如蓄电池的充电过程。284.电流的测量交流电流、直流电流可分别使用交流电流表（或万用表交流电流挡）、直流电流表（或万用表直流电流挡）进行测量。测量时，电流表或万用表必须串联到被测电路中。如图所示为使用数字万用表测量直流电流。使用数字万用表测量直流电流29测量时，应先明确被测电路中电流的方向并预估电流的大小。若预估电流小于200mA，则将万用表黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“mA/μA”插孔，并将旋钮调至直流电流挡的适当量程（如“200mA”挡）；若预估电流大于200mA，则将红表笔插入“20A”插孔，并将旋钮调至直流电流“20A”挡。调整完成后，将万用表串联在电路中，保持稳定，即可测量、读数。如果显示屏显示“OL.”，则应增大量程；如果显示屏显示数值左边出现“-”，则说明电流方向判断错误，应调换红、黑表笔重新测量。测量完毕，将万用表复位。30二、电压、电位和电动势1. 电压如图所示，A、B

是电源的两个电极，A

为正极，带正电荷，B

为负极，带负电荷，A、B之间产生由

A指向

B

的电场。若将A、B

用导线连接起来，则在电场力作用下，正电荷会沿导线从A移到B（实际是导线中的自由电子在电场力作用下由B移到A，两者等效），形成电流，这就是电场力对电荷做了功。为了衡量电场力对电荷做功的能力，引入了“电压”这一物理量。要使电荷在电路中定向移动，电路的两端必须要有电压。在电路中，电源的作用就是给用电设备两端提供电压，从而形成持续的电流。31电荷的移动回路32电压通常用U

表示。单位正电荷在电场力的作用下从

A点移动到B

点所做的功称为A、B

两点间的电压，用UAB

表示。电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的单位为伏特，简称伏（V）。常用的电压单位还有毫伏（mV）、微伏（μV）、千伏（kV）等。它们的换算关系是1mV=10-3V1μV=10-3mV=10-6V1kV=103V332. 电位在电路中选定一个参考点（即零电位点），则电路中某一点与参考点之间的电压即为该点的电位，单位也是伏特。在电力电路中常以大地作为参考点；在电子电路中常以多条支路汇集的公共点或金属底板、机壳等作为参考点；在汽车电路中常以车身等金属机体作为参考点，连接的是蓄电池的负极，通常称为搭铁。高于参考点的电位取正，低于参考点的电位取负。电路中任意两点A、B

之间的电位差等于这两点之间的电压，即

UAB=UA-UB

，故电压又称电位差。343. 电动势电动势是反映电源把其他形式的能转化成电能本领的物理量，通常用E

表示，单位为伏特。电源电动势在数值上等于电源没有接入电路时正、负极之间的电压，电动势的方向规定为从电源的负极经过电源内部指向电源的正极，即与电源两端电压的方向相反，如图所示。电动势的方向354. 电压的测量交流电压、直流电压可分别使用交流电压表（或万用表交流电压挡）、直流电压表（或万用表直流电压挡）进行测量。测量时，电压表或万用表必须并联在被测电路两端。如图所示为使用数字万用表测量直流电压。使用数字万用表测量直流电压36测量时，应先明确被测电路两端电压的方向并预估电压的大小。然后，将万用表黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“VΩ”插孔，并将旋钮调至直流电压挡的适当量程（如“20V”挡）。调整完成后，将万用表并联在被测电路两端，保持稳定，即可测量、读数。如果显示屏显示“OL.”，则应增大量程；如果显示屏显示数值左边出现“-”，则说明表笔极性与实际电压极性相反，应调换红、黑表笔重新测量。测量完毕，将万用表复位。37三、电功和电功率1. 电功电流所做的功称为电功，用W

表示，单位为焦耳，简称焦（J）。研究表明，电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I和通电时间

t三者的乘积，即W=UIt38式中，W

的单位为焦耳（J），U的单位为伏特（V），I的单位为安培（A），t

的单位为秒（s）。电流做功的过程就是电能转化为其他形式能量的过程。电能是电流通过用电设备时做功的能力。电能的单位为千瓦时（kW·h），俗称度。千瓦时与焦耳的换算关系为1 kW·h=3.6×106J392. 电功率电流做功的快慢用电功率表示。电流在单位时间内所做的功称为电功率，用P

表示，单位为瓦特，简称瓦（W），其计算式为对于纯电阻电路，上式还可以写为403. 焦耳定律电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。这个规律称为焦耳定律。如果热量用Q

表示，则焦耳定律为Q=I2Rt式中，Q

的单位也是焦耳（J），这种热也称焦耳热。电流通过导体时，如果电能全部转化为热能，而没有同时转化为其他形式的能量，那么，电流产生的热量Q就等于消耗的电能W，即

Q=W=UIt。414. 电气设备的额定值电气设备安全工作时所允许的最大电流、最大电压和最大功率分别称为额定电流、额定电压和额定功率。元器件和设备的额定值一般都会在铭牌上标出。电气设备在额定功率下的工作状态称为额定工作状态，也称满载；低于额定功率的工作状态称为轻载，高于额定功率的工作状态称为过载或超载。由于过载很容易烧坏用电设备，所以一般不允许出现过载的情况。42四、电阻1. 导体的电阻导体在通过电流的同时也对电流有一定的阻碍作用，这一阻碍作用的大小称为电阻，通常用R

表示。电阻的单位为欧姆，简称欧（Ω）。常用的电阻单位还有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）等。在各种电路中，经常要用到具有一定电阻的元件，这些元件称为电阻器，简称电阻。汽车上常见的电阻包括灯泡电阻、冷却液温度传感器电阻、点火线圈电阻、继电器线圈电阻、喷油器线圈电阻等。43导体的电阻是导体本身的一种性质，其大小取决于导体的材料、长度和横截面积，可按下式计算式中，ρ——导体材料的电阻率，单位为欧姆·米（Ω·m）；

l——导体的长度，单位为米（m）；

S——导体的横截面积，单位为平方米（m2）。各种材料都有不同的电阻率特性。442. 敏感电阻有些特殊材料制成的电阻对温度、电压、湿度、光照、气体、磁场、压力等作用特别敏感，这些电阻称为敏感电阻，如热敏电阻、压敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻等。其中，电阻随温度升高而减小的电阻称为负温度系数（NTC）热敏电阻，电阻随温度升高而增大的电阻称为正温度系数（PTC）热敏电阻。能够感受被测量的信息，并将感受到的信息按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置称为传感器。利用热敏电阻对温度的敏感特性，可制成电阻式温度传感器，这在汽车电路中有广泛应用。453. 常用电阻的外形和符号按照电阻的大小是否可变，电阻分为固定电阻和可变电阻两大类。常用电阻的外形和图形符号见下表。常用电阻的外形和图形符号46常用电阻的外形和图形符号474. 电阻的主要参数选用电阻时，需要考虑的参数包括电阻的大小即标称电阻值、允许偏差和额定功率。（1）标称电阻值标称电阻值是电阻上所标注的电阻值。电阻的常用标称系列值包括1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2等。标称电阻值可以乘以10n（n

为整数）。48（2）允许偏差允许偏差是指电阻真实电阻值与标称电阻值之间的误差值。（3）额定功率电阻长时间工作允许消耗的最大功率称为额定功率。电阻的额定功率也有标称值，常用的包括1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、3W、5W、10W、20W等。选用电阻时，应留有一定的余量，选择标称功率比实际消耗的功率大一些的电阻，以保证电路的安全。495. 电阻的测量通常使用万用表测量电阻，如图所示为使用数字万用表测量电路中的电阻。使用数字万用表测量电路中的电阻50测量前，需要对万用表进行调零。将万用表黑表笔插入“COM”插孔，红表笔插入“VΩ”插孔，先估计被测电阻的大小，然后将旋钮置于电阻挡（“Ω”表示电阻挡）的适当量程，再短接红、黑表笔自动校零，若显示屏显示“0.000”，则说明调零完成。测量时，先切断电路的电源，然后将电阻的一端断开，再将万用表红、黑表笔接电阻两端金属部位，保持稳定，即可测量、读数。读数时，应确保表笔与电阻接触良好，还应避免手指触碰金属部分而导致人体电阻干扰。51§1-3简单电路分析52学习目标1.理解闭合电路的欧姆定律和电源的外特性。2.掌握电阻串联、并联电路的特点和应用。3.掌握电池串联、并联电路的特点和应用。53一、欧姆定律1. 部分电路欧姆定律不包含电源的电路称为部分电路，如图所示。欧姆定律指出：导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。数学表达式为式中，I——导体中的电流，单位为安培（A）；

U——导体两端的电压，单位为伏特（V）；

R——导体的电阻，单位为欧姆（Ω）。这一定律称为部分电路欧姆定律。部分电路542. 闭合电路的欧姆定律和电源的外特性（1）闭合电路的欧姆定律闭合电路又称全电路，是指含有电源的电路，如图所示。电源内部的电路称为内电路，内电路中的电阻称为内电阻，简称内阻；电源外部的电路称为外电路，外电路中的电阻称为外电阻。在电源内部，电流流过内电阻r产生的电压降Ir，称为电源的内电压U内，即

U内=Ir。闭合电路55在电源外部，电流由电源正极流向负极，在外电路上产生的电压降IR，称为路端电压或外电压

U

外，即U

外=IR。如图中折线上各点表示电路中各处对应的电位。理论和实践都可以证明，当电路中存在电流时，电源电动势

E

在数值上等于U

外与U

内之和，即E=U

外+

U

内=

IR+Ir电源电动势E=U

内＋U

外56由上式可得上式表示在外电路为纯电阻的闭合电路中，电流与电源的电动势成正比，与电路的总电阻（内、外电阻之和）成反比，这一定律称为闭合电路的欧姆定律（又称全电路欧姆定律）。57将公式E=IR+Ir两边同时乘以

I，可得

IE=I2R+I2r

IE=IU

外+I2r上式说明：电源将其他形式的能量转化为电能的功率IE，等于电源输出功率

IU

外与电源内电路的热功率I2r

之和，这种关系称为电路的功率平衡。因此，闭合电路的欧姆定律实质上是能量守恒定律在闭合电路中的具体反映。58（2）电源的外特性由闭合电路的欧姆定律可知，当电源电动势E

和内阻r一定时，电源路端电压U

外将随负载电流I

的变化而变化。电源路端电压随负载电流变化的关系特性称为电源的外特性，其关系特性曲线称为电源的外特性曲线，如图所示。由图可知，电源路端电压U

外随电流I

的增大而减小。电源内阻越大，直线倾斜得越厉害；直线与纵轴交点的纵坐标表示电源电动势的大小，即I=0时，U

外=E。电源的外特性曲线59二、电阻的连接1. 电阻的串联如果电路中两个或两个以上的电阻依次首尾相连，各电阻通过同一电流，这种连接方式称为电阻的串联。如下图a所示为三个电阻串联的电路，其等效电路如下图b所示。电阻的串联电路a）三个电阻串联的电路b）等效电路60电阻的串联电路具有以下特点。（1）电路中流过各电阻的电流相等。（2）电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和，即U=U1+U2+…+Un（3）电路的等效电阻（即总电阻）等于各串联电阻之和，即R=R1+R2+…+Rn（4）电路中各个电阻两端的电压与电阻的电阻值成正比，即61在电阻的串联电路中，电阻值越大的电阻分配到的电压越大；反之，分配到的电压越小。若已知R1、R2两个电阻串联，电路两端的总电压为U，可得到分压公式如图所示。两个电阻串联的电路62汽车鼓风机电路如图所示，汽车中的鼓风机电动机能以4个不同挡位的转速运转，就是通过3个电阻串联来实现的。汽车鼓风机电路632. 电阻的并联如果电路中两个或两个以上的电阻接在两个公共的节点之间，这种连接方式称为电阻的并联。如下图a所示为三个电阻并联的电路，其等效电路如下

图b所示。电阻的并联电路a）三个电阻并联的电路b）等效电路64电阻的并联电路具有以下特点。（1）电路中各电阻两端的电压相等，且等于电路两端的电压。（2）电路的总电流等于流过各电阻的电流之和，即I=I1+I2+…+In（3）电路的等效电阻（即总电阻）的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即（4）电路中流过各电阻的电流与电阻的电阻值成反比，即IR=I1R1=I2R2=…=InRn65在电阻的并联电路中，电阻值越大的电阻分配到的电流越小；反之，分配到的电流越大。若已知R1、R2两个电阻并联，电路中的总电流为I，可得到分流公式如图所示。凡是额定电压相同的负载都可以采用并联的工作方式，每个负载都可以独立控制，任一负载的正常开、关都不影响其他负载的使用。两个电阻并联的电路66三、电池的连接1. 电池的串联当用电设备的额定电压高于单个电池的电动势时，可以将多个电池串联起来使用。2. 电池的并联有些用电设备需要电池能输出较大的电流，这时可采用并联电池组。并联电池组及其等效电路如图所示。67并联电池组及其等效电路a）并联电池组b）等效电路68设并联电池组由n

个电动势都是E、内阻都是r

的电池组成，则并联电池组的总电动势为E

并=E并联电池组的总内阻为新能源汽车动力蓄电池一般由若干电池模块组成，电池模块采用单体电池串联进行增压，并联进行扩容。69§1-4复杂电路分析70学习目标1.理解常用电路名词。2.了解基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。3.了解负载能获得最大功率的条件。4.了解直流电桥及其应用。71一、常用电路名词在学习基尔霍夫定律之前，先了解几个有关的电路名词，以下图为例进行说明。电路图示例721. 支路电路中的每一个分支称为支路。它由一个或几个电路元件相互串联构成，在同一条支路内，流过所有元件的电流相等。如上图所示电路中有三条支路，即A-E1-R1-B

支路、A-R3-B

支路、A-E2-R2-B

支路。其中，含有电源的支路称为有源支路，不含电源的支路称为无源支路。732. 节点在电路中，三条或三条以上支路的连接点称为节点。如上图所示电路中有两个节点A

和B。3. 回路电路中任何一个闭合路径称为回路。如上图所示电路中有三个回路，即A-E1-R1-B-R3-A

回路、A-E2-R2-B-R3-A

回路、A-E1-R1-B-R2-E2-A

回路。一个回路中可能只包含一条支路，也可能包含几条支路。744. 网孔电路中不能再分的回路（中间无支路穿过）称为网孔，也称独立回路。如上图所示电路中有两个网孔，即A-E1-R1-B-R3-A

回路和A-E2-R2-B-R3-A

回路。5. 网络在电路分析范围内，网络是指包含较多元件的电路。75二、基尔霍夫定律1. 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律也称基尔霍夫第一定律或节点电流定律，其内容是电路中任意一个节点上，在任何时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和，如图所示，即∑I进=∑I

出

I1+I2=I3+I4基尔霍夫电流定律示意图76基尔霍夫电流定律的依据是电流连续性原理，也就是说，在电路中任意一个节点上，任何时刻都不会产生电荷的堆积或减少，所有流进节点的电荷必须全部流出该节点。如果把流入节点的电流规定为正，流出节点的电流规定为负，则基尔霍夫电流定律还可以表述为各节点支路电流的代数和恒等于零，即∑I=0基尔霍夫电流定律可以推广应用于任一假设的闭合面（广义节点）。772. 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律也称基尔霍夫第二定律或回路电压定律，其内容是在任意一个回路中，各元件上的电压降的代数和等于电动势的代数和，即∑IR=∑E基尔霍夫电压定律也可以这样表述：从一点出发绕回路一周回到该点时，各段电压的代数和恒等于零，即∑U=0利用基尔霍夫电压定律进行电路分析或计算时要注意以下两点。78（1）回路的“绕行方向”是任意选定的，一般以虚线表示。在列回路电压方程时通常规定，电压的参考方向与回路“绕行方向”相同时，取正号；电压的参考方向与回路“绕行方向”相反时，取负号。（2）基尔霍夫电压定律不仅适用于电路中的具体回路，还可以推广应用于电路中的任一假想回路，即在任一瞬间，沿回路“绕行方向”，假想回路中各段电压的代数和为零。79三、最大输出功率原理任何一个有源二端网络就其对外作用而言，都可以简化为一个电源（电动势为E）和内阻r串联的简单电路，如图所示。当其两端接上负载R后，便会向负载输出电功率，负载上电功率的大小可用下式表达有源二端网络的简化80由上式可知，当R=r

时，上式分母值最小，即P

最大。可见，当负载电阻与电源的内阻相等时，负载可获得最大功率，如图所示。有源二端网络的输出功率81必须指出，负载在获得最大功率的同时，电源发出的功率也有1/2被内阻所消耗，电源的效率只有50％。在一些传输功率较小的电路中，效率高低属于次要问题，为了使负载获得最大的功率，大多数电路的负载电阻值R=r，达到所谓的匹配状态。而在较大功率的电力输送中，提高效率已成为电路的主要问题，所以要想办法尽可能减小内阻的消耗。82四、直流电桥电桥是测量技术中常用的一种电路形式，其种类很多，按所测量的对象不同可分为直流电桥和交流电桥两大类。如图所示为直流电桥电路，图中的4个电阻称为桥臂，R1、R2是比例臂电阻，R是可变标准电阻，Rx

是被测电阻。B、D

两点间接入检流计G。直流电桥电路83直流电桥为复杂电路，它有6条支路和3个独立回路，若检流计支路电流不为零，电路求解将较为复杂。调整三个已知电阻R1、R2、R，直至检流计读数为零，这时电桥平衡，则可按简单电路求解。由于直流电桥平衡时B、D

两点电位相等，即UAB=UAD，UBC=UDC因此

R1I1=RxI2，R2I1=RI2可得

R1R=R2Rx84上式说明电桥的平衡条件是电桥相对臂电阻的乘积相等。利用直流电桥平衡条件可求出被测电阻Rx。电桥还有另一种用法，当Rx

为某一定值时，将电桥调至平衡，使检流计指针指向零位。当Rx

有微小变化（电流随之变化）时，电桥失去平衡，根据检流计的指示值及其与Rx

之间的对应关系，可间接测出Rx

的变化及电流的变化，并可转换成电压的变化，因此直流电桥常作为传感器中的转换元件。85§1-5汽车电路基础86学习目标1.了解汽车电路的组成和特点。2.了解汽车电路基础元件的作用和分类。3.熟悉汽车电路图的主要形式。4.了解识读汽车电路图的基本方法。87一、汽车电路的组成汽车电路主要由电源、用电设备和控制装置三部分以及导线组成，具体包括电源系统、起动系统、点火系统、仪表与警报系统、照明与信号系统、辅助电器、电子控制系统和配电装置等。88二、汽车电路的特点汽车电路具有一般电路的特点，但又具有自身的一些特点。1. 双电源供电内燃机汽车包括蓄电池和发电机两个电源。蓄电池是辅助电源，发电机是主电源，两者互补以确保用电设备正常工作，延长蓄电池供电时间。为了简化结构并保证安全，用电设备采用低压直流供电模式。柴油车大多采用DC24V供电，汽油车一般采用DC12V供电。新能源汽车电源由直流低压辅助蓄电池和直流高压动力蓄电池组成，低压电路与高压电路互相独立，不共用导线。892. 并联单线制汽车上各用电设备之间采用并联连接，电压相同，个别设备故障不影响其他设备，且每个设备由各自支路中的专用开关控制。单线制是指电源到用电设备只用一根导线，车身等金属机体作为另一公用导线，节省导线、线路清晰、安装检修方便，用电设备也无须与车体绝缘。但某些用电设备为保证工作可靠性和提高灵敏度仍采用双线制。903. 低压系统负极搭铁单线制的使用需要蓄电池的一个电极连接车身等金属机体，俗称搭铁。这样对无线电设备干扰少，对车架和车身的电化学腐蚀少。按照国家标准规定，国产汽车电气系统均采用负极搭铁。目前，世界各国生产的汽车也大多采用负极搭铁方式。4. 用电设备配装保护装置为了防止汽车用电设备过载烧毁或发生电路短路，总电路与各支路中的用电设备大都配装熔丝、熔断器或电路过载保护器等保护装置。915. 大电流开关通常加中间继电器汽车上的某些用电设备工作时的电流很大（汽油车起动机的电流一般为100~300A），如果直接用开关控制它们的工作状态，往往会使控制开关过早损坏。因此，控制大电流用电设备的开关通常采用加中间继电器的方法，即利用继电器线圈的小电流控制继电器触点吸合，为用电设备提供大电流。6. 车载网络通信随着汽车技术不断发展、性能不断提高，汽车用电设备和电子控制装置在汽车上的应用越来越多，为了简化线路，提高信息传输的速度和可靠性，降低故障率，车载网络技术应运而生。92三、汽车电路的基础元件1. 保险装置汽车用的保险装置主要是熔断器，如图所示。按照外形的不同，熔断器可分为插片式熔断器和管状熔断器，其中插片式熔断器在汽车上应用最广泛。熔断器a）插片式熔断器b）管状熔断器93熔断器的作用是当电路中流过的电流超过规定值时，它自身发热而使内部熔丝熔断，从而切断电路，防止烧坏电路连接导线和用电设备，并把故障限制在最小范围内。现代汽车电路中的熔断器一般集中在驾驶室内和发动机罩下的熔断器盒中，常与继电器组装在一起，构成全车电路的中央接线盒，如图所示。中央接线盒942. 继电器（1）作用一般情况下，汽车上使用的控制开关的触点容量较小，不能直接控制工作电流较大的用电设备，因此常采用继电器来控制。继电器通过自动吸合或分开一对或多对触点，用小电流控制大电流，以减小控制开关的电流负荷，保护电路中的控制开关。95（2）分类汽车上的继电器很多，常见的分为常开式继电器、常闭式继电器和混合式继电器三类，如图所示。常见的继电器a）常开式继电器b）常闭式继电器c）混合式继电器961）常开式继电器。继电器内部触点在继电器未工作时是分开的，工作时吸合，该类型的继电器在汽车上应用最多。2）常闭式继电器。继电器内部触点在继电器未工作时是吸合的，工作时分开。3）混合式继电器。继电器内部有两个触点，一个常开触点，一个常闭触点。973. 开关开关的作用是控制汽车电路中的用电设备。按照操作方式的不同，开关可分为手操纵式和脚踏式等类型；按照结构原理的不同，开关可分为机械开关和电磁开关；按照用途的不同，开关可分为点火开关、灯光组合开关、空调组合开关、车窗组合开关等，如下图所示。98汽车开关a）点火开关b）灯光组合开关c）空调组合开关d）车窗组合开关994. 导线（1）导线的分类和规格导线的作用是连接电源和用电设备并传递电流。根据电压等级、用途和环境要求的不同，汽车导线主要分为普通低压导线、起动电缆、接地电缆和高压导线四种类型。1）普通低压导线。普通低压导线是带绝缘层的铜质多股软芯线，芯线横截面积不得小于0.5mm2，如图所示。普通低压导线1002）起动电缆。起动电缆是带绝缘包层、横截面积较大的铜质或铝质多股电缆线，如图所示。起动电缆1013）接地电缆。接地电缆一般分为两种，一种与起动电缆相同，另一种是编织扁形软铜线，如图所示。编织扁形软铜线1024）高压导线。内燃机汽车中的高压导线主要用于连接点火线圈和火花塞，分为普通铜芯线（电阻小，无阻尼功能）和阻尼线（内置电阻，抑制电磁干扰）两种类型，如图所示。高压导线a）普通铜芯线b）阻尼线103（2）导线颜色的规定为了便于在线束中查找导线，在电路原理图中，一般会对导线的线径、颜色甚至其所属的电气系统做出标注，对导线颜色的规定和标注一般用字母作为代码。维修汽车时，通常都要按照原厂电路图查找导线颜色。导线颜色应遵循行业标准并结合功能区分，通常分为单色线和双色线，用于标识不同电路功能，如黑色专用于搭铁线，红色用于电源线等。双色线由主色和辅色组成，主色为基础色，辅色为条色带或螺旋色带，标注时主色在前、辅色在后。104（3）将导线捆扎成线束现代汽车由于用电设备的增加和电控的需要，导线的数量和长度大大增加，为了不使汽车内部导线凌乱，同时也便于安装、维修和保护绝缘，除了高压导线，通常将进出位置相近或走向基本一致的许多导线捆扎成线束，如图所示。由于各种传感器、ECU和执行器分布在汽车的不同位置，所以一辆汽车上通常有多个线束。汽车上的线束105四、汽车电路图的识读1. 汽车电路图的主要形式汽车电路十分复杂，其电路图不仅能清晰呈现各个电气系统的工作原理和用电设备之间的连接方式，还能明确标注出各用电设备、线束等在汽车上的具体位置。尽管不同车型的电路图有所差异，但是根据电路图的特点一般可分为电路原理图、电气布线图、线束图和电路接线图等。106（1）电路原理图电路原理图简称原理图，它用标准、统一的电路图形符号表示相应的电路元器件，主要反映电路中各元器件之间的连接关系，表达各电气系统的工作原理，并不考虑各元器件的实际大小、相互之间的位置关系。汽车电路原理图是最常见的汽车电路图，其既可以是全车电路图，也可以是单元电路图。如下图所示为比亚迪秦EV喇叭电路原理图。107比亚迪秦EV喇叭电路原理图108（2）电气布线图电气布线图按照全车用电设备在车身上的大致位置进行描绘，电路直观形象，各元器件的外形及其安装位置、电路接点数量及位置与实际情况基本一致，线束和导线的分布走向清楚，便于循线跟踪，查找方便。如图所示为富康988轿车仪表系统电气布线图。富康988轿车仪表系统电气布线图109（3）线束图线束图是表达汽车线束分布情况的平面图。线束图表明线束与各用电设备的连接部位、接线柱的标记、线头、连接器的形状及位置等。如图所示为比亚迪e5右后门线束图。比亚迪 e5右后门线束图a）线束图b）线束连接器示意图c）安装说明110比亚迪 e5右后门线束图a）线束图b）线束连接器示意图c）安装说明111（4）电路接线图电路接线图既表达了用电设备的每一个接线柱和线束的每一个连接器之间的连接关系，又表达了电路的工作原理，但在分析电路原理时不如电路原理图简单明了。电路接线图的优点是在故障查询时比电路原理图的作用更大，比电气布线图也更简明。1122. 识读汽车电路图的基本方法（1）在整车电路图中，各个系统或功能单元通常从左向右按水平顺序排列，可以先化整为零，将不同功能的系统用直线分隔开来，逐级进行分析。（2）汽车电路图一般采用垂直布置方式，即电源线通常位于上方，搭铁线位于下方，电流流向自上而下，因此，对某一单元电路图的识读，可以按照电流流向，从电源正极出发，经用电设备回到电源负极这样的顺序进行。113（3）在采用标准画法的电路图中，开关的触点位于零位或静态，即开关处于断开形态或继电器线圈处于不通电形态，晶体管、晶闸管等具有开关特性的元器件的导通与截止视具体情况而定。（4）汽车电路是单线制，各用电设备相互并联，继电器和开关串联在电路中。（5）汽车中大多数用电设备都经过熔断器，受熔断器的保护。114（6）传感器通常共用电源线、接地线，但绝不会共用信号线。执行器会共用电源线、接地线和控制线。（7）熟悉汽车电路图所用的图形符号、导线标注、接线柱标记和缩略语。（8）在分系统、分区段绘制的电路原理图中，当遇到间隔较远的横向连线时，为保持图面清晰，通常取消跨区域横向连线，改用数字或字母标记说明连接关系。在彩色电路图中，同规格、同颜色并在一条线束中的导线，在线束中是直接相通的，而两种不同颜色的导线不直接相通。115五、汽车电路图识读示例下面以如图所示的大众汽车散热器风扇控制电路为例，具体讲解识读汽车电路图的方法和步骤。大众汽车散热器风扇控制电路1161. 主要电气元件F18——散热器风扇热敏开关；F23——高压开关；J69——风扇二挡继电器；J138——风扇起动控制单元；N25——空调电磁离合器；117T1b——单孔连接器；T2c、T2e、T2f、T2g、T2i——2孔连接器（发动机舱前）；V7——风扇电动机；F87——风扇起动温度开关；82——搭铁端（左前束内）；S19——熔丝（30A）。1182. 电源线30——电源线；15——点火线圈接通时的小容量电源线；X——大容量电源线；31——搭铁线。1193. 电路工作过程分析（1）冷却液温度的控制当散热器中的冷却液温度达到96℃时，散热器风扇热敏开关F18接通一挡，风扇低速运转。系统工作电流路径如下：电源30导线→熔丝S19→继电器盒A1/5→2.5ro导线→散热器风扇热敏开关F18的3号接线端子→散热器风扇热敏开关F18一挡→散热器风扇热敏开关F18的2号接线端子→2.5ro/ws导线→1.5ro/ws导线→2.5ro/ws导线→风扇电动机V7的2号接线端子→风扇电动机V7→风扇电动机V7的1号接线端子→2.5br导线→2.5br导线→搭铁。120（2）发动机舱温度的控制在点火开关断开的情况下，当发动机舱温度达到70℃时，风扇起动温度开关F87接通，风扇起动控制单元J138工作，J138的8/87接线端子通电，风扇低速运转。系统工作电流路径如下：风扇起动控制单元J138的8/87接线端子→1.5ro/ws导线→2.5ro/ws导线→风扇电动机V7的2号接线端子→风扇电动机V7→风扇电动机V7的1号接线端子→2.5br导线→2.5br导线→搭铁。121（3）空调系统工作状态的控制散热器风扇的工作情况受到空调系统工作状态的控制。当空调开关处于制冷、除霜位置时，系统工作电流路径如下：继电器盒N/2接线端子→2.5ro/ws导线→2.5ro/ws导线→1.5ro/ws导线→2.5ro/ws导线→风扇电动机V7的2号接线端子→风扇电动机V7→风扇电动机V7的1号接线端子→2.5br导线→2.5br导线→搭铁。此时，风扇低速运转。122第二章磁场和电磁感应123目录§2-1磁场§2-2磁场力§2-3电磁感应124§2-1磁场125学习目标1.能应用右手螺旋定则判断通电长直导体和通电螺线管的磁场方向。2.理解磁感应强度、磁通量、磁导率的概念。3.了解铁磁材料的分类和用途。4.了解继电器在汽车中的应用。126一、磁场和磁感线当两个磁极靠近时，同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。两个磁极互不接触，却存在相互作用力，这是因为在磁体周围的空间中存在一种特殊的物质——磁场。磁体和电流周围都存在磁场，就连地球也是一个大磁体，南极是N极，北极是S极。127用放置磁针和撒铁屑的方法可以直观地显示磁场的特点，在此基础上，可以画出一些有方向的曲线来形象地描述磁场的分布，这样的曲线称为磁感线（如图所示）。在这些曲线上，每一点的切线方向就是该点的磁场方向，也就是放在该点的磁针N极所指的方向。磁感线是闭合曲线。磁感线与磁场方向128磁感线疏处磁场弱，密处磁场强。在磁场的某一区域内，如果磁感线是一些方向相同、分布均匀的平行直线，则这一区域的磁场称为匀强磁场。距离很近的两个平行异名磁极之间的磁场，除了边缘部分，就可以认为是匀强磁场（如图所示）。匀强磁场129实验表明，各种不同形状的磁体或通电导体产生的磁感线是不同的。通电长直导体和通电螺线管的磁场方向可用右手螺旋定则（安培定则）来判断，具体方法见下表。右手螺旋定则130右手螺旋定则131二、磁场的主要物理量1. 磁感应强度磁感应强度是定量描述磁场强弱和方向的物理量，用B

表示。在通电导体与磁场方向垂直的最简单的情况下，有关系式式中，B——磁感应强度，单位为特斯拉（T），简称特（T）；

F——垂直于磁场的通电导体所受的磁场力，单位为牛顿（N）；

I——导体中的电流，单位为安培（A）；

l——导体的长度，单位为米（m）。132磁场越强，磁感应强度越大；磁场越弱，磁感应强度越小。普通永磁体磁极附近的磁感应强度一般为0.4~0.7T，电动机和变压器铁芯中心的磁感应强度可达0.8~1.4T，地面附近的磁场的磁感应强度只有5×10-5

T。磁感应强度B

是矢量，磁场中某点的磁感应强度B

的方向就是该点的磁场方向。1332. 磁通量为了定量地描述磁场在某一范围内的分布及变化情况，引入磁通量这一物理量。设在磁感应强度为B

的匀强磁场中，有一个与磁场方向垂直的平面，面积为S，将B

与S

的乘积定义为穿过这个平面的磁通量，简称磁通，用Φ

表示，如下图a所示。它在数值上等于穿过这个平面的磁感线条数，公式为

Φ=BS磁通量a）平面与B

垂直b）平面与B

不垂直134如果所讨论的平面与磁场方向不垂直（如上图b），则应以这个平面在垂直于磁感应强度B

的方向的投影面积S′

与B

的乘积来表示磁通量。磁通量的单位为韦伯，简称韦（Wb）。由于

，因此，磁感应强度B

又称磁通密度，单位为Wb/m2，1T=1Wb/m2。当平面面积一定时，通过该平面的磁感线越多，磁通量越大，磁感应强度也越大。这一概念在电气工程中具有极其重要的意义。1353. 磁导率如果用一个插有铁棒的通电线圈去吸引铁屑，然后把通电线圈中的铁棒换成铜棒再去吸引铁屑，便会发现在两种情况下吸力大小不同，前者比后者大得多。这表明不同的媒介质对磁场的影响不同，影响的程度与媒介质的导磁性能有关。磁导率是一个用来表示媒介质导磁性能的物理量，用μ表示，单位为亨每米（H/m）。由实验测得真空的磁导率μ0=4π×10-7H/m，为一个常数。136自然界中大多数物质对磁场的影响甚微，只有少数物质对磁场有明显的影响。为了比较媒介质对磁场的影响，把任一物质的磁导率与真空的磁导率的比值称为相对磁导率，用μr

表示，即相对磁导率只是一个比值，它表明在其他条件相同的情况下，媒介质中的磁感应强度是真空中磁感应强度的倍数。137根据相对磁导率的大小，可将物质分为以下三类。（1）顺磁物质顺磁物质包括空气、铝、铬、铂等，其μr

稍大于1，磁化方向与外磁场相同。（2）反磁物质反磁物质包括氢、铜等，其μr

稍小于1，磁化方向与外磁场相反。顺磁物质与反磁物质一般被称为非铁磁物质。138（3）铁磁物质铁磁物质包括铁、钴、镍、硅钢、坡莫合金、铁氧体等，其μr

远大于1，可达几百甚至数万以上，且不是一个常数。铁磁物质（也称铁磁材料）被广泛应用于电工技术、计算机技术等方面。根据不同的特点，可将铁磁材料分为三类，见下表。铁磁材料的分类139§2-2磁场力140学习目标1.能应用左手定则判断通电导体在磁场中所受安培力的方向。2.了解霍尔元件在汽车中的应用。3.理解直流电动机的工作原理。141一、磁场对通电导体的作用——安培力两个永久磁体相互靠近，由于磁场彼此作用，它们相互间会有作用力。通电导体周围会产生磁场，若将其置于一个永久磁体的磁场中，通电导体也会受到力的作用，这一作用力称为安培力。142通电直导体在磁场中所受安培力的方向可用左手定则来判断，如图所示，伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并且都与手掌处于同一个平面内，让磁感线垂直穿入掌心，并使四指指向电流的方向，则拇指所指的方向就是安培力的方向。左手定则143垂直于磁场方向的通电直导体在磁场中受到的安培力F

的大小由下式决定

F=BIl式中，F——安培力，单位为牛顿（N）；

B——磁感应强度，单位为特斯拉（T）；

I——导体中的电流，单位为安培（A）；

l——导体的长度，单位为米（m）。如果通电直导体与磁场方向不垂直，则安培力比垂直时要小；如果两者平行，则安培力为零。144二、磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力实验证明，把一个条形磁体的N极靠近阴极射线管，电子束会发生偏转；调换磁极，偏转方向也随之改变。由此可知，运动电荷在磁场中受到了力的作用。145运动电荷在磁场中受到的磁场力称为洛伦兹力。运动的带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的方向，与运动方向和磁感应强度的方向都垂直，因此，洛伦兹力对运动电荷不做功，它不会改变带电粒子的速度大小，只改变带电粒子的运动方向。洛伦兹力的方向同样可以用左手定则进行判断：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌处于同一个平面内，让磁感线垂直穿入掌心，并使四指指向正电荷运动的方向，则拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。146既然电流是电荷的定向运动形成的，那么静止的通电导体在磁场中受到的安培力，实际上就等于大量定向运动的电荷所受洛伦兹力的总和。实验表明，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体中能够自由移动的带电粒子在洛伦兹力的作用下，向着与电流、磁场都垂直的方向漂移，继而在该方向上出现了电势差。这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。除了导体，半导体也能产生霍尔效应，而且半导体的霍尔效应要强于导体。147如图所示，一块矩形导体（或半导体）薄片垂直于磁感应强度为B

的磁场，通入与磁场方向垂直的电流I，则在与电流和磁场都垂直的方向上产生电压UH，如果改变I或B，或两者同时改变，均会引起UH

的变化。霍尔效应示意图148根据霍尔效应制成的元件称为霍尔元件，利用霍尔元件可以制成多种传感器。如图所示为霍尔转速传感器的结构和输出信号。霍尔转速传感器的结构和输出信号a）结构图b）输出信号图149霍尔转速传感器主要由霍尔元件和磁性转盘等组成，磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔元件便会在每一个磁极通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间内的脉冲数即可测得被测转轴的转速。磁性转盘磁极的数量决定霍尔转速传感器的分辨率。150三、直流电动机安培力的一个最重要应用是为电动机的发明提供了理论支持。如图所示为直流电动机的工作模型，主要由磁体、转子（转动线圈）、电刷和换向器等组成。直流电动机的工作模型151在上图中，线圈的旋转方向可按左手定则判断，当线圈平面与磁感线平行时，线圈在N极一侧的部分所受安培力向下，在S极一侧的部分所受安培力向上，线圈按顺时针方向转动，此时线圈所产生的转矩最大。当线圈平面与磁感线垂直时，电磁转矩为零，但线圈靠惯性仍继续转动。通过换向器的作用，与电源负极相连的电刷A始终与转到N极一侧的导线相连，电流方向恒为由电刷A流出线圈；与电源正极相连的电刷B始终与转到S极一侧的导线相连，电流方向恒为由电刷B流入线圈。因此，线圈始终按顺时针方向连续旋转。152实际应用的直流电动机的结构如图所示。汽车上使用的直流电动机很多。直流电动机的结构153§2-3电 磁 感 应154学习目标1.掌握感应电动势的概念，能应用右手定则判断感应电动势的方向。2.了解楞次定律和法拉第电磁感应定律。3.掌握自感和互感的概念，能判别互感线圈的同名端。4.了解涡流的利与害。155一、电磁感应现象在如图所示实验中，当导体垂直于磁感线方向做切割磁感线运动时，可以明显地观察到检流计指针发生偏转，说明导体回路中有电流通过；而当导体平行于磁感线方向运动时，检流计指针不偏转，说明导体回路中没有电流通过。导体切割磁感线产生电流156在如图所示实验中，当将一块条形磁体快速插入线圈时，可以观察到检流计指针向一个方向偏转；如果条形磁体在线圈内静止不动，检流计指针不偏转；当将条形磁体从线圈中迅速抽出时，又可以观察到检流计指针向另一方向偏转。条形磁体快速插入和抽出线圈产生电流a）插入线圈时b）抽出线圈时157这种利用磁场产生电流的现象称为电磁感应，产生的电流称为感应电流，产生感应电流的电动势称为感应电动势。上述两个实验现象说明：当导体做切割磁感线运动或者线圈中的磁通量发生变化时，在导体或线圈中都会产生感应电动势，此时若导体或线圈构成回路，则导体或线圈中将有感应电流通过。158二、感应电动势1. 直导体中的感应电动势（1）感应电动势的方向做切割磁感线运动的导体产生的感应电动势的方向可由右手定则进行判断，如图所示，伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌处于同一个平面内，让磁感线垂直穿入掌心，并使拇指指向导体运动的方向，则四指所指的方向就是感应电动势（或感应电流）的方向。右手定则159（2）感应电动势的大小当导体、导体运动方向和磁感线方向三者互相垂直时，导体中的感应电动势为

E=Blv式中，E——感应电动势，单位为伏特（V）；

B——磁感应强度，单位为特斯拉（T）；

l——导体的长度，单位为米（m）；

v——导体运动的速度，单位为米每秒（m/s）。160如果导体运动方向与导体本身垂直，但与磁感线方向成一夹角α（如图所示），则导体中的感应电动势为e=Blvsinα导体运动方向与磁感线方向不垂直161由上式可知，当导体运动方向与磁感线方向垂直（α=90°）时，导体中的感应电动势最大；当导体运动方向与磁感线方向平行（α=0°）时，导体中的感应电动势为零。发电机就是利用导体切割磁感线产生感应电动势的原理发电的（如图所示）。在实际应用中，将导体做成线圈，使其在磁场中转动，从而得到连续的电流。发电机的工作原理1622. 线圈中的感应电动势（1）感应电动势的方向当线圈中的磁通量发生变化时，线圈中会产生感应电动势。感应电动势的方向通常由楞次定律结合右手螺旋定则进行判断。楞次定律指出：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。当引起感应电流的磁通量增大时，感应电流的磁场与原电流的磁场方向相反；当引起感应电流的磁通量减小时，感应电流的磁场与原电流的磁场方向相同。实际上，直导体中感应电动势的方向也可以用楞次定律进行判断。163（2）感应电动势的大小在如图所示的实验中，条形磁体插入或抽出的速度越快，检流计指针偏转的角度越大；反之越小。而条形磁体插入或抽出的速度，反映的是线圈中磁通量变化的速度，即线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通量的变化率成正比。这就是法拉第电磁感应定律。条形磁体快速插入和抽出线圈产生电流a）插入线圈时b）抽出线圈时164用ΔΦ

表示时间间隔Δt内一个单匝线圈中的磁通量变化量，则一个单匝线圈产生的感应电动势的大小为如果线圈有N

匝，则感应电动势的大小为165三、自感和互感1. 自感自感是一种特殊的电磁感应现象。当一个线圈回路中的电流发生变化时，它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动势。这种现象称为自感，由于自感而产生的感应电动势称为自感电动势。166自感电动势的方向可结合楞次定律和右手螺旋定则进行判断。在下图a中，当回路电流增大时，自感电动势应阻碍其电流增大，故自感电动势的方向与电源电动势的方向相反，为上正、下负；在下图b中，当回路电流减小时，自感电动势应阻碍其电流减小，故自感电动势的方向与电源电动势的方向相同，为上负、下正。自感电动势的方向a）回路电流增大时b）回路电流减小时167自感电动势eL

的计算公式为式中，负号表示自感电动势的方向总是阻碍原电流的变化；

L——自感系数，与线圈的匝数、形状、大小，以及是否有铁芯等因素有关，单元为亨利，简称亨（H）；ΔΦ——在Δt

时间内，线圈中磁通量的变化量，单位为韦伯（Wb）；ΔI——在Δt时间内，线圈中电流的变化量，单位为安培（A）。168在有铁芯的线圈中通入交流电时，就有交变的磁场穿过铁芯，这时会在铁芯内部产生自感电动势并形成电流，这种感应电流形如旋涡，故称为电涡流（简称涡流）。工业生产中可以利用涡流的热效应，采用高频电炉来冶炼金属或加热锻件。家用电磁炉的工作原理是先将交流电变为直流电，再逆变为高频交流电作用在线圈上，进而产生交变磁场，在金属器皿的底部产生涡流而发热。当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼，这种作用称为电磁阻尼作用。在一些仪表中常利用涡流的电磁阻尼作用来减小指针的摆动。169涡流的热效应有利也有害。在交流电气设备（如变压器）中，交变电流的交变磁场在铁芯中产生涡流，会使铁芯发热，产生涡流损耗。因此，变压器的铁芯总是采用多层硅钢片叠成，并用绝缘材料将各层隔开，以减小涡流损耗，如图所示。采用多层铁芯减小涡流损耗a）单层铁芯涡流损耗大b）多层铁芯涡流损耗小1702.互感互感也是一种特殊的电磁感应现象。如图所示，两个线圈回路相互靠近但两者之间没有导线相连，当一个线圈回路中的电流发生变化时，它所产生的变化的磁场会在另一个线圈中产生感应电动势。这种现象称为互感，由于互感而产生的感应电动势称为互感电动势。互感不仅可以发生在绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且可以发生在任何两个相互靠近的电路之间。互感现象171互感电动势的大小按下式计算式中，N2——发生互感的线圈匝数；ΔΦ12——在Δt

时间内，产生磁通的电流在发生互感的线圈中磁通量的变化量，单位为韦伯（Wb）；

M12——互感系数，与线圈的匝数、形状、大小及周围磁介质的磁导率有关，单位为亨利（H）；

ΔI1——在Δt

时间内，线圈L1中电流的变化量，单位为安培（A）。互感电动势方向的判断方法与自感电动势方向的判断方法类似。1723. 同名端在电力工程和电子电路中，为了保证电路的安全性、独立性和匹配性，避免相邻回路间的直接连接，经常利用互感将交变电力或交变电信号由一个回路传递到另一个回路。在实际应用中，往往需要了解互感电动势的正、负极性。为此，引入了同名端的概念。通常将由线圈绕向一致而产生的感应电动势的极性始终保持一致的端子称为线圈的同名端，用“·”或“*”表示。173第三章交流电路174目录§3-1交流电的基本概念§3-2电容器和电感器§3-3单一参数交流电路§3-4RLC串联电路§3-5三相交流电§3-6变压器175§3-1交流电的基本概念176学习目标1.了解正弦交流电的特点。2.理解正弦交流电的基本物理量。3.理解正弦交流电的三要素和解析式。177一、正弦交流电的特点对比如图所示波形可知，交流电与直流电的根本区别是直流电的方向不随时间变化，而交流电的方向则随时间变化。电压波形的比较a）稳恒直流电b）正弦交流电c）锯齿波d）矩形波178只有一个交变电动势的交流电称为单相交流电，按正弦规律变化的交流电称为正弦交流电。如果不做特别说明，通常所讲的交流电都是指正弦交流电。不按正弦规律变化的交流电称为非正弦交流电。实际应用中的一些特殊波形，如上图c所示的锯齿波、上图d所示的矩形波等电压信号，都是周期性非正弦交流电。周期性非正弦交流电可以认为是一系列正弦交流电叠加合成的结果，因此，正弦交流电也是研究周期性非正弦交流电的基础。179二、正弦交流电的基本物理量1. 正弦交流电的周期、频率和角频率交流电的波形如图所示。交流电的波形180（1）周期交流电完成一次周期性变化所需的时间称为周期，用

T表示，单位是秒（s）。如上图所示的交流电的周期为0.02s。（2）频率交流电在1s内完成周期性变化的次数称为频率，用

f

表示，单位是赫兹（Hz）。根据定义可知，周期与频率互为倒数，即181（3）角频率交流电每秒变化的角度（电角度）称为角频率，用ω

表示。因为交流电完成一次周期性变化可用2πrad（或360°）来计量，所以角频率为角频率的单位为弧度每秒（rad/s）。1822.正弦交流电的最大值和有效值（1）最大值交流电在一个周期所能达到的最大瞬时值称为最大值（又称峰值、幅值）。最大值用大写字母加下标m表示，如Em、Um、Im。（2）有效值因为交流电的大小是随时间变化的，所以在研究交流电的功率时，采用瞬时值和最大值都不够方便，通常用有效值来表示。183有效值是这样规定的：使交流电和直流电分别加在电阻值相同的电阻上，如果在交流电的一个周期内产生的热量相等，就把这一直流电的大小称为相应交流电的有效值（如图所示）。有效值用大写字母表示，如E、U、I。电工仪表测出的交流电数值及通常所说的交流电数值都是指有效值。交流电的有效值a）直流电加热b）交流电加热184交流电的有效值与最大值之间的关系如下即1853. 正弦交流电的相位和相位差（1）相位交流电在任意时刻的电角度称为相位角，也称相位或相角，用（ωt+φ0）表示，它反映交流电的变化进程。式中，φ0

为正弦量在t=0时的相位，称为初相位，也称初相角或初相。186交流电的初相可以为正，也可以为负。若t=0时正弦量的瞬时值为正，则初相为正（见下图a）；若t=0时正弦量的瞬时值为负，则初相为负（见下图b）。初相通常用不大于180°的角来表示。初相的正负a）初相为正b）初相为负187（2）相位差两个同频率交流电的相位之差称为相位差，用φ

表示，即

φ=（ωt+φ1）-（ωt+φ2）=φ1-φ2两个同频率交流电的相位差等于它们的初相之差。两个同频率交流电的相位关系见下表。两个同频率交流电的相位关系188两个同频率交流电的相位关系189如果两个同频率交流电同时达到零值或最大值，则称它们同相位，简称同相。如果一个交流电e1

比另一个同频率交流电e2提前达到零值或最大值，则称e1

超前e2，或称e2滞后e1。若一个交流电达到正向最大值的同时，另一个同频率交流电达到反向最大值，即它们的相位差为180°，则称它们反相位，简称反相。若两个同频率交流电的相位差为90°，则称它们正交。190综上所述，最大值反映了正弦交流电的变化范围，角频率反映了正弦交流电的变化快慢，初相位反映了正弦交流电的起始状态。最大值、角频率和初相位是表征正弦交流电的三个重要物理量，称为正弦交流电的三要素。知道了这三个物理量就可以唯一确定一个正弦交流电。正弦交流电压、电流等的解析式与此类似。191§3-2电容器和电感器192学习目标1.了解电容器和电感器的结构、外形、图形符号和主要参数。2.理解电容器的充、放电特性。3.掌握容抗和感抗的概念及其频率特性。4.了解电容器和电感器在汽车中的应用。193一、电容器1. 电容器的结构、外形和图形符号平行板电容器的结构如图所示，在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质，就组成了一个最简单的电容器，这两个金属板称为电容器的极板，中间的绝缘材料称为电容器的介质（电介质，空气也是一种介质）。实际上，任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看作一个电容器。平行板电容器的结构194按电容是否可变，电容器分为固定电容器和可变电容器；按介质的不同，电容器又可分为空气、纸质、云母、陶瓷、涤纶、聚苯乙烯、电解电容器等。常用电容器的外形见下表。常用电容器的外形195常用电容器的图形符号常用电容器的图形符号见下表。1962. 电容器的主要参数电容量是反映电容器储存电荷能力的物理量，简称电容，用C

表示，它在数值上等于电容器在单位电压作用下所储存的电荷量，即电容的单位为法拉，简称法（F），实际中常用的单位还有微法（μF）和皮法（pF），其换算关系为1 F=106μF=1012pF电容是电容器的固有属性。电容的大小取决于电容器的结构和介质的绝缘性能，而与外加电压的高低、电容器所带电荷量的多少等外部条件无关。197如图所示，设平行板电容器极板正对面积为S，两极板间的距离为

d，极板间介质的介电常数为ε，则平行板电容器的电容可按下式计算式中，C

的单位为法拉（F），ε的单位为法拉每米（F/m），S

的单位为平方米（m2），d

的单位为米（m）。平行板电容器的结构198真空的介电常数ε0≈8.86×10-12F/m，某种介质的介电常数ε与ε0

之比，称为该介质的相对介电常数，用εr

表示。空气的相对介电常数约为1。石蜡、油、云母等的相对介电常数较大，作为电容器的介质可显著增大电容，而且能做成很小的极板间隔，因而应用广泛。实际上，任何两个导体之间都存在电容。电容器的标称电容量通常采用数码、符号或用直标法标注在电容器的外壳上，有些还特别标明了额定电压（俗称耐压），即电容器长期正常工作时所能承受的最大直流电压或交流电压的有效值。在实际使用时，电容器两端所加的电压一般应小于额定电压。1993. 电容器的充电和放电电容器的充、放电实验电路如图所示。电容器的充、放电实验电路a）电容器的充电b）电容器的放电200（1）电容器的充电如上图a所示，当开关S置于A

端时，电源通过电阻R对电容器C开始充电。起初，充电电流iC

较大，但随着电容器C两端的电荷不断增多，两端的电压越来越高，它阻碍电源对电容器的充电，充电电流越来越小。当电容器两端电压达到最大值E

时，充电电流变为零。因此，在直流稳态电路中，电容器相当于开路，这就是电容的隔直作用。201（2）电容器的放电如上图b所示，当电容器两端充足电后，若将开关S置于B

端，电容器将通过电阻R开始放电。起初，放电电流iC

很大，但随着电容器C两端电荷的不断减少，两端的电压越来越低，放电电流越来越小，直至为零，此时电容器两端的电压也变为零。202二、容抗——电容对交