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第一章
汽車電路與磁路

第一節 電路

一、電路的構成要素與基本物理量

電路即電流的通路,要真正理解電路的作用,就需要了解電路的構成要素和電路的基本物理量。

1.電路的構成要素

電路要形成電流的通路,以實現某種特定的功能,就離不開電源、負載和導線這三個基本要素,如圖1-1所示。

圖1-1 電路的構成要素

(1)電源 電源在電路中提供電能,電源有直流和交流兩種類型。汽車電路使用的是直流電源,汽車直流電源是由蓄電池和硅整流發電機組成的雙電源。

(2)負載 負載在電路中消耗電能,負載將電能轉變成光、聲、熱、機械等能量,以完成電路的特定功能。負載有電阻性、電容性和電感性三種類型,實際使用中的負載則可能是以電阻、電容、電感中的某種特性為主,兼有其他一種或兩種負載特性。

汽車上所有的用電設備都是汽車電路的負載。

(3)導線 導線在電路中連接電源和負載,起傳輸和分配電能的作用。導線通常由銅、鋁、銀等金屬導體制成,并用絕緣材料包裝。

汽車電路的導線就是將汽車電源與汽車上的用電設備連接起來的配線。

閱讀提示

汽車電路除了電源、負載和導線外,還配以相應的控制開關和熔斷器等安全保障設備,以實現汽車電路的控制與保護。

搭鐵:汽車電路通過發動機的機體、車身及車架等金屬部分作為電流的回路,人們稱這種設計為搭鐵。

2.電路的基本物理量

(1)電動勢 電動勢是針對電源的物理量,表示電源供電能力大小,其單位是伏特(V),簡稱伏。電動勢的物理定義是電源內部的非電場力把單位正電荷從電源的負極移到正極所做的功,電源內部的非電場力可由熱能、機械能、化學能等其他能量支持。在電源的內部,電源的正極和負極之間存在著電場,要使電源對外有持續的供電能力,就必須用電源內部的非電場力FW來克服電源內部的電場力FN,將正電荷從電源的負極移動到電源的正極(見圖1-2)。

圖1-2 電動勢與電壓

1—負載 2—電路 3—電路中的負電荷(電子)
4—電源負極(帶負電荷)5—電場中的正電荷
6—電源正極(帶正電荷) FW—電源內部的非電場力
FN—電場力

閱讀提示

在車載電源中,蓄電池的電動勢是由其內部儲存的化學能通過電化學反應建立起來的;交流發電機的電動勢則是由發動機的機械運動建立而來的。

(2)電壓 電壓就是靜電場或電路中兩點之間的電位差,它反映電場力對電荷做功的能力,數值上等于電場力把單位正電荷從電源的正極經外電路移到負極所做的功。電壓的單位也是伏特(V),但請注意區別電壓與電動勢的不同物理含義。

(3)電流 電荷的定向運動稱為電流,導體中電流的實質是導體內的自由電子在電場力作用下做定向運動。電流的大小以單位時間里導體橫截面通過的電荷量來度量,人們以正電荷定向運動的方向為電流的方向(見圖1-2)。電流的單位是安培(A)。

(4)電阻與歐姆定律 電路中阻礙電流通過的作用稱為電阻,電阻的單位為歐姆(Ω),簡稱歐。電路中流過電阻R的電流I與電阻兩端的電壓U成正比,這就是歐姆定律,其表達式為

二、電路的工作狀態與負載的串聯和并聯

1.電路的工作狀態

相對于電源來說,電路的工作狀態可分有載、開路和短路三種狀態。

(1)有載 以圖1-3所示的電路為例,說明有載狀態下電路中電壓與電流之間的關系。將電源開關S接通,電路中就有電流,即電路處于有載狀態。在有載狀態下,電路的電壓、電流之間的關系為

U=IR

U=E-IR0

由此可總結如下三點:

1)電源輸出電流I的大小與電源電動勢E的大小、負載R及電源內阻R0的大小均有關,電動勢大,負載和電源內阻小,電源輸出的電流就大。

圖1-3 最簡單的電路

R—負載電阻 R0—電源內阻
I—電源輸出電流(負載電流) E—電動勢
U—電源端電壓(負載電壓降) S—電源開關

2)加在負載上的電壓,其數值上就是電流和負載電阻的乘積。

3)由于電源有內阻,內阻的電壓使電源的輸出端電壓低于電動勢。內阻越大,相同電流下電源的端電壓就會越低;輸出電流越大,電源電動勢與輸出電壓的差值也會越大。

閱讀提示

汽車蓄電池的電動勢為12V,在起動發動機時,由于起動機的工作電流很大(達100A),因而蓄電池內阻上的電壓(IR0)較高,為2~4V。因此,起動時蓄電池輸出的端電壓就會降至8~10V。

(2)開路 將電源開關S斷開,電路就處于開路狀態。此時,電源輸出電流I=0A,因而電源的端電壓等于電源電動勢,即

U=E

在汽車所有的用電設備均不通電(相當于電源開關斷開)時,蓄電池對外不輸出電流,這時測得的蓄電池正負極接線柱之間的電壓也就是蓄電池的靜止電動勢。

名詞解釋

蓄電池的靜止電動勢是指蓄電池在不充電也不放電時,其正負極之間所具有的電位差(電動勢)。

(3)短路 所謂短路是指負載電阻為零的極端情況,負載短路時,電源的端電壓U=0V,就會形成短路電流,短路電流的大小為

由于電源的內阻R0一般都很小,因而電源輸出的短路電流很大,可將電源和電路燒毀。

2.負載的串聯和并聯

實際電路中的負載可能有兩個或兩個以上,以串聯或并聯的方式連接,但都可以簡化為如圖1-3所示的電路。下面以電阻性負載為例,介紹電路中負載的串聯和并聯。

(1)電阻的串聯 當電路中有多個電阻時,使電阻中通過同一電流的連接方式稱之為電阻的串聯(見圖1-4)。

其等效電阻是各個串聯電阻值之和,即

R=R1+R2

電路中串聯電阻上的電壓與其電阻值成正比,圖1-3a所示的兩個串聯電阻上的電壓為

圖1-4 電阻的串聯

a)典型電路 b)等效電阻

顯然,如果R1<<R2,則U1<<U2,即當彼此串聯的兩個電阻其阻值大小相差太大時,小電阻的電壓可以忽略不計,電壓幾乎都加在了大電阻上。

(2)電阻的并聯 電路中有兩個或兩個以上的電阻施加同一個電壓的連接方式稱為電阻的并聯(見圖1-5)。

兩個電阻并聯的等效電阻為

圖1-5 電阻的并聯

a)典型電路 b)等效電阻

可見,多個并聯電阻的等效電阻比各個并聯電阻中電阻值最小的電阻還要小。各并聯電阻通過的電流為

并聯電阻上的電流分配與電阻值成反比,如果R1<<R2,則I1>>I2,即在電阻差值很大時,電阻大的支路上的電流可以忽略不計。

串聯與并聯的解讀:電路中流過同一個電流的負載是串聯的,電阻大的消耗的電能也多;施加同一個電壓的負載是并聯的,如果某負載支路中有開關、熔斷器等控制和保護設備,負載之間仍然是并聯的。

三、電路中的電位

電路中各點電位的高與低是針對某一個參考點而言的。電路中各點的電位實際上就是其相對于參考點的電壓。如果選擇不同的參考點,電路中各點的電位就會不同。下面以圖1-6所示的電路為例,說明電路中電位的概念。

圖1-6 電路中的電位

a)以A點為參考點 b)以B點為參考點

E1=140V E2=90V I1=4A I2=6A I3=10A

根據歐姆定律和電路分析可知,各段電路的電壓為

UAB=10×6V=60V

UCA=4×20V=80V

UDA=6×5V=30V

UCB=140V

UDB=90V

若以A點為參考點,電路中其他各點的電位為

VB=-60V VC=80V VD=30V

若以B點為參考點,電路中其他各點的電位為

VA=60V VC=140V VD=90V

顯然,參考點不同,C、D兩點的電位也不同。

重點提示

在某一有載狀態下,電路中兩點之間的電壓是絕對的,而電路中各點的電位是相對的,參考點不同,電路中各點的電位也不同。

四、汽車電路示例

汽車電路簡圖如圖1-7所示。

圖1-7 汽車電路簡圖

1.汽車電路的電源

汽車電路的電源包括發電機和蓄電池,二者并聯向汽車電路提供電能。有的汽車電路在發電機和蓄電池之間還串聯了電流表,用以指示蓄電池是處于充電狀態還是放電狀態。

(1)蓄電池的作用 蓄電池可將其內部的化學能轉變電能,在汽車電路中主要用作起動電源,當發動機不工作、負載過大、發電機輸出電壓很低時,也需要蓄電池供電。

(2)發電機的作用 發電機由發動機驅動,將發動機的機械能轉變為電能,是汽車電路的主要電源。當發動機工作時,發電機輸出電壓要高于蓄電池電壓,此時由發電機發出的電能向用電設備供電,并可向蓄電池充電,以使蓄電池及時地恢復在起動發動機時所消耗的化學能。

(3)電流表的作用 當蓄電池向用電設備供電時,電流表指向放電側,指示蓄電池放電電流的大小;當發電機向蓄電池充電時,電流表指向充電側,指示充電電流的大小。

當發動機起動后,電流表指示充電電流很小或指示放電,則說明發電機或調節器有故障。

當發動機不工作且用電設備處于關閉狀態時,電流表指示放電,則說明用電設備的導線或開關有漏電現象。

(4)調節器的作用 調節器串聯在發電機的勵磁繞組電路中(接在F與B之間),其作用是根據發電機的端電壓來調節發電機勵磁繞組的勵磁電流,以使發電機輸出電壓在發動機轉速變化時仍然保持穩定。

2.汽車電路的負載

起動機是汽車電路的負載。起動時,接通起動開關,起動機就通電工作,帶動發動機轉動進而使發動機起動。

其他用電設備包括點火系統、照明系統、信號系統、儀表系統、各種輔助電器、各種電子控制系統等,均為汽車電路的負載,各負載均并聯。

3.汽車電路的導線

汽車電路各負載與電源正極之間的電路中通常串聯熔斷器和開關(或繼電器),用于各電路負載工作的手動或自動控制。負載與電源負極之間通過搭鐵形成回路。一些安裝在不導電物體上的負載則需要通過導線連接電源負極。在汽車電子控制系統中,通常也有專門的搭鐵線,用以連接電源負極。

電流表通常在一些載貨汽車上裝用,在乘用車和其他類型汽車上少有安裝電流表,乘用車和其他類型汽車的充電電路是否正常依靠儀表板上的充電指示燈來指示。

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