实用汽车电工电子技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中等职业教育技能紧缺人才培养培训系列教材,实用汽车电工电子技术,1,中等职业教育技能紧缺人才培养培训系列教材实用汽车电工电子,第,1,章 直 流 电 路,学习目标,1,理解电路的电位、电压、电动势等几个基本物理量。,2,掌握电路的欧姆定律及电阻元件的电压、电流关系。,3,掌握电源的断路、短路、有载三种状态及电源的外特,性。,4,掌握电阻负载串联、并联、混联电路的特点和计算方,法。,5,理解基尔霍夫定律，掌握电路中某点电位的意义及计,算。,6,掌握电桥的平衡条件。,7,了解电容器充放电过程的特点。理解电容,C,的含义。,2,第1章 直 流 电 路学习目标2,1,1,电路的基本结构,1,1,1,电路的组成,电流流经的路径称为电路。电路一般是由电源、负载,(,用电器,),、导线和控制装置等四部分组成，如图,1,1,所示。,3,11电路的基本结构111 电路的组成3,电源,:,给电路中的负载提供电能的设备。在汽车电路中的两个电源是蓄电池和,发电机，它们的作用是分别将化学能和机械能转换成电能，再通过导线,供给电路中负载使用。,负载,:,电路中的各种用电设备，它将电能转换成机械、热、 光、声等其他形式,的能。例如，汽车起动系统中的起动机工作时把电能转换成机械能，完,成对发动机的起动。点火装置是将电能转换成热能，点燃气缸内的可燃,混合气。,导线,:,用于连接电源和负载，担负着传输电能和信号的作用。常用,导线是用铜或铝材料制成的，所以电阻一般都很小,(,可忽略不计,),，在汽车,上，为了便于安装、连接和保护导线不被损坏，一般都把多条导线包扎,起来形成导线束。,控制装置,:,作用是接通和断开电路，或保护电路不被破坏。如：汽车电路中的各种,电器开关、继电器和熔断器。,4,电源:4,1,1,2,电路图,电路图有实物接线图和电路原理图之分，,如图,1,1,所示。实物接线图虽然直观、易,懂，但绘制麻烦。电路原理图是把电路中的,实物用国家统一颁布的简单图形符号表示和,绘制出来的电路连接图。在汽车电器电路维,修中经常使用的是电路原理图。,5,112 电路图 电路图有实物接线图和电路原理图,1,1,2,汽车电路的单线制,电源和用电设备之间是用两根导线构成回路的，这种连接,方式称为双线制。在汽车上，为了节省导线和便于安装、维,修，电源和用电设备之间通常只用一根导线连接，另一根导,线则由发动机、车架等金属机体代替而构成回路。这种连接,方式称为单线制，如图,1,2,所示。所以世界上绝大多数国家,包括我国的汽车都采用负极搭铁。,6,112 汽车电路的单线制 电源和用电设备之间,1,2,1,电流,电流是电荷的定向移动形成的。在金属导体中，电流实,质上是带负电荷的自由电子在电源电场力的作用下运动所形,成的。而在导电液,(,如蓄电池内的电解液,),中，电流是带正、,负电荷的离子在电源力的作用下向相反方向运动而形成的。,习惯上规定正电荷移动的方向为电流的方向。因此带负电荷,的自由电子和负离子移动的方向与电流的方向相反，如图,1,3,所示。电流不但有大小，而且还有方向。大小和方向都,不随时间变化的电流称为稳定电流或直流。例如：由电池、,蓄电池作电源所产生的电流就是直流电流。,7,121电流 电流是电荷的定向移动形成的。在金,电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷,量。记作 （,1.1,）,式中,I,电流，单位为安,培,，用,A,表示。,Q,电荷量，单位为库,仑,，用,C,表示。,t,时间，单位为秒，用,s,表示。,在汽车电器系统中往往遇到几安、几十安甚至,更大的电流，如汽油发动机起动时，蓄电池需向发,动机提供,200,600A,的电流，柴油发动机需,500,1000A,的起动电流。而在电子控制系统中常遇到较,小的电流，是以毫安（,mA,）或微安（,A,）单位计,算的。它们之间的关系为,8,电流的大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,9,大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点9,测量电流大小的仪表称为电流表，测量前应将档位调至直流电流（,DCA,）档位，然后根据被测量电流的大小，选择适当的量程。在无法估计电流大小时，应遵循先较大量程试测的原则。测量时要注意表笔接入电路的极性，在“,+”,端表笔接电流的流入端，“,-”,端表笔接电流的流出端。,10,测量电流大小的仪表称为电流表，测量前应将,1,2,2,电位和电压,我们知道，管道里水流的形成只有水是不行的，还必须有,水位或水压的作用。同样，导体里的电流的形成只靠导体中,的自由电子是不行的，还必须有电场力的作用。这实际上是,电场力移动电荷克服导体（或负载）的阻力而作功。衡量电,场力作功本领的物理量是电位和电压。,电位,电路中某点的电位在数值上等于电场力将单位正电荷从该,点移动到参考点（零电位点）所作的功，见图,1.4,。若以,B,点,作为参考点，则,A,点的电位就是指电场力将单位正电荷从,A,点,经白炽灯移动到,B,点所作的功。电位常用,V,表示，于是电路中,某点,A,的电位为,11,122电位和电压 我们知道，管道里水流的形成只有,式中，,W,是电场力将正电荷所带电荷量,Q,从,A,点,移到参考点所作的功，它的单位是焦耳，简称焦,（,J,）；电荷量,Q,的单位是库（,C,）；电位,V,的单位,则是,JC,，或称为伏特，简称伏（,V,）。,说电路中某点电位是多少，要先指定一个计算,电位的起点，这个起点就是零电位点（即参考点）。参考点选择位置不同，电路中各点电位大小也不同。参考点一经,选定，电路中各点的电位值就是确定值。其中电位比参考点,高的点，电位为正值；电位比参考点低的点，电位为负值。,在汽车电路中常以发动机的金属机体或车架为参考点（电,位为零），电位的概念相当重要，在电子电路中经常要分析,电路某点的电位高低。,12,式中，W是电场力将正电荷所带电荷量Q从A点12,2.,电压,电路中某两点间的电压，就是该两点间的电位,差。它实际上是电场力将单位正电荷从某点移动到另,一点所作的功。显然，电路中某两点间的电压大小与,参考点的选择无关。电压用字母,U,表示。例如,A,、,B,两点间的电压为,电压的单位也用伏（,V,）表示，计量较大的电压,时用千伏（,KV,）；,计算较小的电压时用毫伏（,mV,）。电压的实际,方向规定为高电位点指向低电位点，即沿着电压的方,向电位是逐渐降低的。,13,2.电压 电路中某两点间的电压，就是该两点间的电位1,1,2,3,电动势,为了在电路中维持连续不断的电流，必须把从电,源正极经负载流到电源负极的正电荷，再经电源的,内部重新搬回到电源的正极，以保持电源两端对外,电路的电压。能完成上述任务的是电源内部的电源,力，它和电场力方向相反，如图,1.4,所示。,所谓电动势就是在电源内部，电源力克服电场力的,阻力，将单位正电荷从电源的负极，经电源内部移,动到电源的正极所作的功，常用,E,表示。如果电源,力移动电荷所作的功为,We,，那么,14,123电动势 为了在电路中维持连续不断的电流，必,1,2,4,电功和电功率,1.,电功,根据电路中电压的定义式（,1.3,）及电流的定义式（,1.1,）,可知，电场力移动电荷所作的功为这就是电功的表达式，即,电流在某段电路上所作的功，等于这段电路两端的电压、电,路中的电流和通电时间的乘积。,其中电功的单位是焦（,J,），但在电工实际应用中常以千,瓦时（,KWH,）（俗称度）作为电功的单位。,1,千瓦时（即,1,度电）表示功率为,1,千瓦时的用电器工作,1,小时所消耗的电,能。,15,124电功和电功率1. 电功15,例,1.1,一台,25,英寸彩电的额定功率是,120W,，每度电的电费,1,元，若每天开机,5,小,时，一个月（,30,天）需多少电费？,解,电费,=,千瓦数,X,每天用电小时,X,天数,X,电费单价,16,例1.1 一台25英寸彩电的额定功率是120W，每度电的,2.,电功率,电场力在单位时间内所作的功，称为电功率。用字母,P,表示。即,上式表明，电功率等于电压与电流的乘积。公式中电压,U,的单位用伏,（,V,），电流,I,的单位用安（,A,），电功率,P,的单位是瓦（,W,）。电功率的,单位还有千瓦（,KW,），,1KW=1000W,。,通常电器设备上都标有电压、电流、电功率等数据，这些数值均是指,在额定工作状态下的数值。若超出这些数值使用，设备将缩短寿命，甚,至很快损坏。,例如，白炽灯上标有,220V,、,60W,表示此灯是用在,220V,的电源电压,下，消耗的电功率为,60W,。若接在,380V,电源上会立即烧坏，若接在,110V,电源电压上，则消耗的电功率远低于,60W,，所以白炽灯会很暗。,17,2.电功率 电场力在单位时间内所作的功，称为电功率。用,3.,电流的热效应,电流通过导体时，由于导体具有一定的电阻而发热，使电,能转变成热能。这种现象称为电流的热效应。,实验证明，电流通过导体所产生的热量和电流的平方、导,体电阻及通过电流的时间成正比，即,式中,Q,热量，单位为焦（耳），用,J,表示。,I,电流，单位为,A,。,R,电阻，单位为,t,单位为,s,。,18,3.电流的热效应 电流通过导体时，由于导体具有一定的电,电流的热效应用途相当广泛。汽车上照明灯是利用电流,产生的热使灯丝达到白炽状态而发光的；熔断器是利用电流,的热效应熔断熔丝切断电源的；汽车上的电热式机油压力,表、水温表的指针偏转是依靠通过加热线圈的电流产生的热,量，使双金属片受热变形，从而驱动并控制指针偏转，指示,出不同的机油压力值和发动机冷却水温度值的。然而电流的,热效应也有不利的一面，如汽车电路中的导线都有一定的电,阻，在通电时会发热，若截面选择过小，电阻大，易造成发,热严重，会加速导线外皮绝缘材料的老化，严重时会引起漏,电或短路事故；若截面选择过大，则浪费材料，不经济。在,选择导线截面时同，常用到电流密度“,J”,这一物理量，它表示,导线单位面积通过的电流大小，即,19,电流的热效应用途相当广泛。汽车上照明灯是利用电流,其中,I,电流，单位为,A,。,A,导线截面，单位为,J,电流密度，单位为,例,1.2,桑塔纳轿车远光灯的电流为,5A,，一般选导线的电流密度为，则应采用多大截面的导线？,解 由式（,1.8,）可得,根据计算结果，还应留有余量，所以采用截面积为,的导线为宜。,20,20,1.3,欧姆定律,一个电阻在电压或电动势的作用下，就会有电流通过。欧姆定律是确定电路中电流、电压（或电动势）和电阻之间关系的定律。它是电工学中最基本的定律之一。,1,3,1,部分电路欧姆定律,不含电源的一段电路称为部分电路，如图,1.5,所示。实验证明，在部分电路中，流过电阻的电流与电阻两端加的电压成正比，与电阻成反比。这个结论称为欧姆定律，即,21,1.3欧姆定律 一个电阻在电压或电动势的作用下，就会有电流通,其中，,U,为电压（,V,），,R,为电阻（,），,I,为电流（,A,）。,由式（,1.10,）可见，当通过电阻,R,中的电,流一定时，电阻值愈大，加于电阻两端的电,压愈高；电阻值愈小，加于电阻两端的电压,愈低。也可以说，通过电阻的电流一定时，,电阻愈大，在电阻,R,上产生的电压降愈大；电,阻愈小，在电阻,R,上产生的电压降愈小。,22,其中，U为电压（V），R为电阻（），I22,例,1.3,一只白炽灯上标注着,220V,、,100W,，该灯的额定工作电流为多大？其发光时的热态电阻是多少？若将它接在,110V,的电源上，消耗的电功率是多少？,解,根据电功率公式,根据欧姆定律公式电功率的计算公式还有另外两种形式,题中白炽灯所接的电源电压变为,110V,，所以,23,例1.3 一只白炽灯上标注着220V、100W，该灯的额,1,3,2,全电路欧姆定律,含有电源的闭合电路称为全电路。如图,1.6,所示，全电路是由电源内,部电路（简称内电路）和外电路两部分组成。,对于外电路运用欧姆定律,U=IR,。,实验证明：在全电路中，通过电路的电流与电源电动势,E,成正比，,与电路的总电阻（,R+R0,）成反比，即,上式表达的规律，称为全电路欧姆定律。式中电动势单位用伏（,V,），,内、外电阻,R,。和,R,单位用欧（,），电流单位用安（,A,）。,24,132 全电路欧姆定律 含有电源的闭合电路称为全,1,3,2,电源内阻对输出电压的影响,我们知道，电源端电压的大小直接关系着各用电设备的,工作是否正常。随着电源输出电流的增加，内阻会影响端电,压的大小，其原因可用全电路欧姆定律来分析，将式,（,1.11,）写成。,其中，,U,称为外电压，,U0,称为内电压，可见电源电动势等于,内、外电压之和。,由式（,1.12,）和式（,1.13,）可得,U=E-IR0 (1.14),式中，,U=IR,是外电路的端电压，简称路端电压。若忽略连接导线的,电阻，,R,就是负载的电阻，则,U,就是负载的端电压。,25,132电源内阻对输出电压的影响 我们知道，电源,反映电源两端电压,U,与电路中电流,I,之间的,关系曲线，称为电源的外特性曲线，简称电,源的外特性。一般情况下，电源的,E,和,R0,都,是常量，按式（,1.14,）绘出的电源外特性曲,线，是一条直线，如图,1.7,所示。,内阻愈大的电源供电时，内阻,R0,上的压降愈大，其对外特性愈陡，即端电压,下降越严重；内阻愈小，外特性愈接近于水平直线，即端电压下降较小。,汽车用的蓄电池内阻一般都很小，当蓄电池由于长期不用或长期充电不足，,发生极板硫化时，内阻显著增大。造成起动机电压偏低，往往汽车发动机不起,运。所以平时要十分重视蓄电池的使用和维护。,26,反映电源两端电压U与电路中电流I之间的26,1,4,导体电阻及电阻元件,1,4,1,导体电阻,事物都是一分为二的，导体能够导电，但同时对电流又,有阻碍作用。这种阻力是自由电子在定向移动时与导体的原,子发生碰撞而产生的。通过实验可知，在一定的温度下导体,电阻的大小与导体的材料长度和截面积有关，用公式表示为,式中,R,导体的电阻，单位为,。,L,导体的长度，单位为,m,。,S,导体的截面积，单位为 。, ,导体的电阻率，单位为,27,14 导体电阻及电阻元件141导体电阻27,对于同种导体，当温度变化时，其电阻率也不相同，通常用温度系数,a,表示导体电阻受温度影响的程度。,a,越大的导体电阻受温度的影响越大，反之受温影响越小。表,1.1,为几种常用导体材料的电阻率和温度系数。,28,对于同种导体，当温度变化时，其电阻率也不相同，,1,4,1,电阻元件,利用不同导体具有不同的电阻率的特性，,制成用来限制或调节电路电流的元件，称为,电阻器（简称电阻），常用的电阻器一般可,以分为固定电阻器和可变电阻器两大类，外,形及电路符号如,1.8,所示。,29,141电阻元件 利用不同导体具有不同的电阻率的特,实际应用中大多数电阻元件的阻值基本都是恒,定的，即不随电压、电流的变化而变化，所以可以,应用欧姆定律求解。这样的电阻称为线性电阻。我,们把线性电阻两端的电压与通过电阻的电流关系用,图形表示，则线性电阻的伏安特性是一条通过坐标,原点的直线，如图,1.9,（,a,）所示。,30,实际应用中大多数电阻元件的阻值基本都是恒30,1,5,电路的状态,在实际用电的过程中，根据不同的需要和不同的,负载情况，电路有开路（断路）、短路和有载这三,种状态。,1,5,1,开路（断路）,电路处于开路状态，可分为控制性开路和故障性,开路两种。控制性开路是根据需要，人为地将开关,断开，使电路切断。而故障性开路是意想不到发生,的断路。,根据全电路欧姆定律，电路处于开路时的特征可,用下列式子描述,(1.16),31,15 电路的状态 在实际用电的过程中，根据不同的需,在汽车电路发生断路故障时，通常根据电路开路,的特征（,UL=0,、,U=E,），用试灯或万用表（直流电,压档）去寻找电路的断路点。参见图,1.10,，方法,是：将试灯一端（或电压表负表笔）接在电源负,极，另一端依次触及电路接线点,a,、,b,、,c,、,d,。如果,灯亮说明此接线点至电源正极间无断路，如果灯不,亮说明此接线点与前一接线点间有断路。用这种办,法逐步缩小查找范围，直至找到断路点。,32,在汽车电路发生断路故障时，通常根据电路开路32,1.5.2,短路,当电源两端被电阻接近于零的导体接通时，选种情况称,为电源被短路。,产生短路的原因往往是由于导线绝缘损坏引起的。错误,的接线或误操作也常导致电源短路。,当电源两端被短路时，若忽略导线的电阻，全电路中只存,在电源的内阻只,R0,，由于内阻,R0,很小，所以短路时电流很,大，如果不及时切断电路，很大的短路电流将烧毁电源、导,线以及回路中接的电流表、开关等，甚至引起火灾。所以电,源短路是一种严重事故，应严加防止。,为避免电源和线路免遭短路事故造成的损坏，通常在回路,中接人熔断器,FU,，如图,1,11,所示。,33,1.5.2 短路 当电源两端被电阻接近于零的导,根据全电路欧姆定律，电源发生短路事故时，,电路的特征可用下列式子描述,需要说明的是：在汽车电路故障诊断维修工作,中，为了快速寻找故障所在的部位，经常采用短路,的方法，将某两接柱短路。为了和电源短路事故相,区别，常把这种短路称为短接。,34,34,如图,1,12,为汽车起动系统原理简图。若按下起动按钮，起动机不转。经查电源、熔断器及搭铁线均无故障。于是就可采用短接法查找故障所在位置。具体操作步骤如下：,35,35,1,5,3,有载,在图,1,13,所示电路中，把开关,S,闭合，使电源与负,载接通，电路中就有电流流过，电源就向负载输出,电功率。这就是电路的有载工作状态。,由全电路欧姆定律表达式 可得 将上式两边同乘以电流,I,得,上式两边均为功率。,EI,为电源产生的总功率，它,等于内阻和负载电阻消耗的电功率之和。这是符合,能量守恒定律的。,36,153 有载在图113所示电路中，把开关S闭合，使电,1.6,简单电路,1,6,1,电阻的串联电路,把两个或两个以上电阻依次连成无分支的电路称为电阻的串联，如图,1,14,所示。,1,电阻串联电路的特点,(1),流经各电阻的电流,I,均相同。,(2),串联电路的总电阻,(,等效电阻,),等于各个串联电阻之和，即,(3),串联电路的总电压等于各个串联电阻上的电压之和，即,2,串联电路中的电压分配,(,以图,1,14,两个电阻串联为例,),串联电路中电流,电阻上的电压,式,(1,19),和式,(1,20),称为两个电阻串联电路的分压公式，,U,的系数称为分压系数。两个以上电阻串联的分压公式读者可自行推导。,37,1.6 简单电路161 电阻的串联电路37,3,串联电路的应用,(1),用于降压,当某一用电器的额定电压低于电源电压时，可在电路上串联一个适当电阻,(,降,压电阻,),。根据串联的电压分配规律，使分得的电压为额定工作电压。这里要注,意与负载相串联的电阻，实际电功率不应超过它的额定功率。,例如：电压表为扩大量程需用电阻与表头串联，串联的电阻起降压作用。,(2),用来控制负载电流,负载的工作状况与电流大小有直接关系，如直流电动机的转速与电流大小有关。捷达、,塔纳轿车空调中的鼓风机电路就串联三个电阻。通过鼓风机开关可以改变串接电阻的个,数，到改变鼓风机转速的目的。,(3),用电位器改变输出电压,当今汽车电控系统不少传感器是利用电位器原理制成的，电位器是应用分压原理进行,工作的。如图,1,15,所示，电位器两固定端,A,和,B,接电源电压，滑动触点,O,和固定端,B,为输出,端。这样滑动触点就把电阻分成两部分。当滑动触点在外力作用下滑动时，连续地改变着,两部分电阻的比例关系，从而得到不同的输出电压,U2,。当滑动触点从,A,端移至,B,端时，输,出电压,U2,从,U1,逐渐下降为零。,38,3串联电路的应用 (1)用于降压38,例,1,4,将一个标称值为,6,3 V,0,3 A,的指示灯与一个,100,的可变电阻串联起来，接在,24V,的电压上，如图,1,16,所示。若使指示灯两端电压达到额定值，可变电阻的阻值应调到多大,?,解,可变电阻在这里起分压作用，其两端电压为,因为流过可变电阻的电流和流过指示灯的电流,为同一电流，所以可变电阻的阻值应调到,39,例14 将一个标称值为63 V03 A的指示,例,1,5,已知电路如图,1,17,所示， ，电位器的标称值值 ， 电阻,R=0.3,，求输出电压,U0,的变化范围。,解,当 的滑动触点在最下端位置时，有,当 的滑动触点在最上端位置时，有,所以输出电压的变化范围是,0,061 V,。,40,例15 已知电路如图117所示， ，电位器的,41,41,1,6,2,电阻的并联电路,把两个或两个以上电阻的两端，连接在电路的相同的两点间使每个电,阻处于同一电压作用下，这种连接称为电阻的并联电路，如图,1,18(a),所示。,1,电阻并联电路的特点,(1),各并联支路两端的电压相等。,(2),电路内的总电流等于各支路电流之和，即,(3),用一个电阻代替相互并联的各电阻，在电路端电压作用下电路的总,电流保持不变，这个电阻称为并联电阻的等效电阻，如图,1,18(b),。,42,162 电阻的并联电路 把两个或两个以上电阻的,对于图,1,18(b),电路有,将并联各支路的电流中的电压,U,都用式代替，,经整理得到,43,对于图118(b)电路有43,3,并联电路的应用,并联电路在实际生产、生活中应用十分广泛，如日常生活中的照明、各种家,用电器都是并联接在,220V,的交流电源上。汽车上的用电器，如喇叭、照明灯、,电动机等也都是并联接在同一直流电源上。,并联电路的优点就在于各用电器能单独控制、独立工作、互相不影响。,所以，几个额定电压相同的负载，只要电源能满足全部负载的电流要,求，就可以把它们并联接在同一电压的电源上。,并联电路的优点就在于各用电器能单独控制、独立工作、互相不影响。,所以几个额定电压相同的负载，只要电源能满足全部负载的电流要求，,就可以把它们并联接在同一电压的电源上。,除此之外，如某一电阻值偏大，可通过并联电阻的方法，使总电阻减小，以,满足电路需要。电流表可以用并联电阻分流的办法来扩大量程。,44,3并联电路的应用 并联电路在实际生产、生活中应,例,1,6,有一块万用表表头，它的最大量程是 ，内阻为,1 000,。如果要把它改装成最大量程是,10 mA,的电流表，如图,1,19,所示。问分流电阻 的值应该是多少,?,解,如果在小量程电流表的两端并联一个电阻 ，使得被测电流的大部分通过这个并联电阻，而通过电流表头的电流仍不超出原量程范围，这样就扩大了原电流表的测量范围。我们把这个外加的并联电阻 称为分流电阻。,根据题意已知,据电路图,根据分流公式，应有,将已知数值代人上式,45,例16 有一块万用表表头，它的最大量程是 ，内,1,6,3,电阻的混联电路,既有电阻的串联，又有电阻的并联，这样的电路称,为混联电路。对于混联电路的计算，可以先应用串、并联等,效电阻加以简化，最后应用欧姆定律求解。,例,1,7,如图,1,20,所示，已知,求,:,(1),电路的总电流。,(2),的端电压。,解,46,163 电阻的混联电路 既有电阻的串联，又有电,例,1,8,求图,1,21(a),中,A,、,B,间的等效电阻。,解,(1),在图,1,21(a),中给电阻间的连接点标出命名字母,(,注意，同一导线连接的各点只能标同一字母,),。,(2),将所求,A,、,B,两点标在直线的左右两端,(,即端点字母,),，其他字母依次标在直线上，如图,1,21(b),所示。,(3),将原图中每个电阻依次填人相应的连接点之间，如图,1,21(b),。,(4),按电阻串、并联的定义及有关计算公式进行计算。对于图,1,21(b),电路,47,例18 求图121(a)中A、B间的等效电阻。4,48,48,1,7,基尔霍夫定律,除欧姆定律外，基尔霍夫定律也是分析计算电路的基本定律。基尔霍,夫定律包括电流定律和电压定律。下面结合图,1,22,所示电路介绍几个名,词。,支路：电路中通过同一电流的每个分支称为支路。例如，图,1.22,中均为,支路。图中左边和中间两个支路含有电源，称为有源支路；右边支路称,为无源支路。,节点：三条和三条以上支路的连接点称为节点。图,1,22,中共有,两个节点，即,B,和,H,点。,回路：电路中任一闭合的路径均称为回路。图中的,ABHFA,、,BCDHB,、,ABCDHFA,均是回路。,49,17 基尔霍夫定律 除欧姆定律外，基尔霍夫定律也,1,7,1,基尔霍夫电流定律,(KCL),因为电流具有连续性，在电路的任一节点上均不,可能发生电荷堆积现象。所以流人某节点 的电流,之和必等于从该节点 流出的电流之和，即,(1,24),这一关系称为基尔霍夫电流定律，通常又称为基尔霍夫,第一定律。,基尔霍夫电流定律不仅适用于电路中的任一节点，而且,还适用于电路中的任一封闭面，该封闭面称为广义节点。如,图,1,23,所示电路封闭面包围的是一个三角形电路，它有,A,、,B,、,C,三个节点。应用电流定律可以列出,50,171 基尔霍夫电流定律(KCL) 因为电,上列三式相加，可得,或,I=0,51,上列三式相加，可得或,1,7,2,基尔霍夫电压定律,(KVL),基尔霍夫电压定律通常又称为回路电压定律。,此定律是用来确定回路中各部分电压之间关系的。具体内容,如下：,对于电路中任一回路，沿任一指定方向,(,顺时针或,逆时针,),绕行一周，回路中的各电位升之和必定等于各电位降,之和，即,回路中电位升与电位降是这样规定的：对于电动势，绕,行方向与电动势方向相同时，为电位升高，反之，为电位降,低；对于电阻，绕行方向与电阻中电流方向相同时，电位降,低，反之，电位升高。,52,172 基尔霍夫电压定律(KVL) 基尔霍夫,1,8,电路中电位的计算,要计算电路中某点的电位，简单地说就是求从该点出发，沿着任意的,一条路径“走”到零电位点，所经过的电位降（即电压）的代数和。,具体方法和步骤是：,(1),若电路没有已知的接地点（零电位点），则可任意选取一点作为接地点，标上符号。,(2),由已知电源电动势和各电阻的阻值，计算出电流的大小和方向。,(3),标出电动势和负载电压的极性。电动势,E,的方向，是从负极指向正,极，即电位升高的方向，电源正极标“十”，负极标“,-”,。对于负载电压，电,流注入端标“十”，流出端标“,-”,，即沿着电流的方向电位是降低的。,(4),求,A,点电位时，选定一条从,A,点到零电位点的路径,(,尽可能选最简单的路径,),。,(5),从,A,点出发沿此路径“走”到零电位点，所经过的无论是电源还是负载，只要从,正到负，则电位降为正值；反之，从负到正则电位降为负值,(,实际为电位升,),。然,后将全部电位降相加,(,取代数和,),就得到,A,点的电位。即,53,18电路中电位的计算 要计算电路中某点的电位，简,例,1,10,如图,1,27,所示，为汽车发电机给蓄电池充电的电路。已,知：发电机电动势 ，蓄电池电动势 ，,充电线路电阻,R=0,09,。,试求：,(1),开关,S,断开时，,s,、,b,、,c,三点的电位。,(2),开关,S,闭合时，,a,、,b,两点的电位。,解,(1),因开关,S,处于断开状态，所以电路中无电流，各电阻上不产生电位降。所以,(2),当开关,S,闭合时，电流方向如图,1.27,中所示，电流数值为,54,例110 如图127所示，为汽车发电机给蓄电池充,1,9,电桥电路,在多种电桥电路中，惠斯登电桥是一种最基本的典型的电桥电路。,在当今汽车电子控制燃油喷射系统中，正是应用电桥的原理制成了测量,发动机进气量的热线,(,或热膜,),式空气流量计或测量发动机进气压力的进气,压力传感器。,1,9,1,电桥电路的两种状态,惠斯登电桥电路像一个四边形，如图,1,30,所示。四边形每一边,都接有一个电阻，称为桥臂。四边形的顶点,a,、,c,接电源，,b,、,d,接一检流,计。接检流计的支路,bd,称为电桥的桥路。检流计用来检查桥路中是否有,电流通过，,Rg,是检流计的内阻。,电桥有两种工作状态：平衡状态与不平衡状态。当电桥接通电源,后，如果桥路两端没有电压输出，当然也没有电流通过，这时就称电桥,处于平衡状态,(,也称平衡电桥,),。反之，称电桥处于不平衡状态,(,也称不平,衡电桥,),。,1,电桥的平衡及平衡条件,根据平衡电桥的定义可知，图,1,30,电桥平衡时有,55,19 电桥电路 在多种电桥电路中，惠斯登电,56,56,1,9,2,电桥电路在现在汽车电路的典型应用,现在汽车的热线或热膜式空气流量计,(,传感器,),就是根据,惠斯登电桥原理制成的，如图,1.34,所示。,1,电路组成,电路中,bd,是电桥的桥路，画在了四边形的外面，,bd,间的,电压,(,桥路电压,),是控制电路,A,的输入电压，电桥的电源是从控,制电路,A,的输出端取得的。可以看出,b,、,d,间的桥路电压可通,过,A,控制电桥的电源电压大小，改变桥臂中的电流。,57,192 电桥电路在现在汽车电路的典型应用 现,2,工作原理,当发动机工作，流经热线电阻,RH,的空气流量恒定时，恒,定的电流使热线电阻保持在一定温度，阻值不变，电桥处于,平衡,当空气流量改变，如增加时，使热线电阻 温度下降，,阻值变小， 电桥失去平衡。此时桥路电压 不,为零，控制电路会增大电桥电路的电压和电流。当热线电阻,恢复到原来的温度和阻值时，实现电桥新的平衡。桥臂电流,的增加引起精密电阻 压降 的增大。增大的 作为发动机进气流,量的变化信号，送给电控单元,ECU,。,ECU,根据 的高低计算进,气量的大小，再确定发动机喷油量的多少。这就是热线式空,气流量计工作的基本原理。,58,2工作原理58,1.10,电容器,1,10,1,电容器和电容量,电容器是一种储存电荷的容器，是汽车电气系统广,泛应用的电路元件之一。,任何两块非常靠近的金属导体，中间隔以绝缘物质就构,成了一个电容器。其中电容器的导体称为极板，中间的绝缘,物质称为介质。,最简单的平板电容器及电路的一般符号如图,1,35,所,示。实际的电容器大都是由两条金属箔,(,或金属膜,),，中间隔,以空气、纸、云母、塑料薄膜、陶瓷等绝缘物质构成。,59,1.10 电容器1101 电容器和电容量59,如图,1,36,所示，当把电容器与直流电源相接时，电容,器两极板上就分别带上了等量的异种电荷。衡量电容器储存,电荷能力的物理量称为电容量,(,简称电容,),，用符号,C,表示。,电容器的电容量,C,等于两极板间电压达到,1 V,时，每一极板所,积累的电荷量，即,式中,Q,电容器极板上的电荷量，单位是,C,。,U,电容器极板间的电压，单位是,V,。,C,电容器的电容量，单位是法,拉,，用字母,F,表示。,60,如图136所示，当把电容器与直流电源相接时，,从电容的定义式,(1,30),可以看出：电容,C,越大的电容器储存电荷的能力越强，即单位电压储存的电量越多。,电容器的种类很多，按其结构可分为固,定电容器、可变电容器和半可变电容器；按,介质的不同又分为纸质电容器、云母电容,器、电解电容器等。常见电容器的外形及符,号如图,1,37,所示。,61,从电容的定义式(130)可以看出：电容61,62,62,1,10,2,电容器的充电和放电,1,电容器的充电,如图,1,38,所示，把电容器与电阻,R,相串联后，再经开,关,S,接到直流电源上,(,开关,S,置,A,端,),，使电容器被充电。,2,电容器的放电,如图,1,39,所示，在电容器充电完毕后，把开关,S,从,A,端,迅速移至,B,端， 电容器开始放电。在开始放电的瞬间，放,电电流最大，随着电容器两极板上电荷的不断减少，其两端,的电位差就逐渐降低，放电电流也逐渐减小。最后，电容两,端电压为零，放电结束。,63,1102 电容器的充电和放电63,若把电容器接在交流电路中，因交流电源电压,的大小和方向都随时间不断地变化，所以电容器就,必然交替的进行充电和放电，因此，电路中就不断,地有电流流过。这就是我们平时所说电容器有通交,流的作用。,综上所述：电容器的充电过程，就是把电源输出,的能量,(,电能,),储存起来的过程；电容器的放电过,程，则是把储存的能量再释放出来。所以，电容器,是一种储能元件，它与只消耗电能的电阻元件有着,本质的区别。,64,若把电容器接在交流电路中，因交流电源电压64,1.10.3,电容器的使用,每只电容器上都标有电容量和最大使用电压,(,耐,压值,),。在实际使用时，往往遇到现有电容器的容量,或耐压值不适应实际需要的情况。这时可把几个电,容器适当地连接起来，以满足电路的需要。,当电容器耐压值能满足电路电压要求，但容量,不足时，可将几个容量不同的电容器并联起来使,用，以获得较大容量。因为电容器的并联相当于加,大了极板的面积，从而增大了电容量。所以，并联,后的总电容量等于并联电容器的电容之和。,65,1.10.3 电容器的使用 每只电容器上都标有电,第,2,章 电磁学基本知识及其应用,学习目标,1,了解磁铁、磁场与磁感线、磁感应强度、磁通量,及磁感应强度与磁通量之间的关系。,2,理解电流的磁场，电流的磁效应，磁路欧姆定,律。,3,掌握磁场对通电直导体的作用，磁场对通电线圈的作,用，,4,理解电磁感应现象、楞次定律、自感现象、互感现象。,5,掌握电磁铁、继电器的基本内容。,66,第2章 电磁学基本知识及其应用学习目标66,2,1,磁的基本物理量,2,1, 磁铁,具有磁性的物质称为磁铁，所有能被磁铁吸引的物质称为铁磁物质或,铁磁材料。磁铁分为天然磁铁与人造磁铁两大类。,磁铁的主要性能：,(1),磁铁的两端磁性最强，这两端称为磁极，磁极具有指向南北的性,质，通常把指南端的磁极称为南极，用,S,表示；指北端的磁极称为北极，,用,N,表示。,(2),同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引。它说明磁极之间有相互作,用力，磁极之间的相互作用力称为磁力。,(3),无论怎样分割磁铁，分割后所得到的每一块磁铁总具有南北两个磁,极，即,N,极和,S,极相互依存，不能单独存在。,(4),把一块铁磁物质放在磁铁附近，该铁磁物质也会带上磁性，这种原,来没有磁性的物质获得磁性的现象称为磁化，磁铁拿走后，被磁化的物,质还会保留一定的磁性，称为剩磁。,67,21磁的基本物理量21 磁铁67,2,1,2,磁场与磁感线,1,磁场,磁场是指磁铁周围有磁力的空间，它是磁体周围空间的,一种特殊物质，它没有构成物质的分子或原子。,2,磁感线,磁感线就是一条条从磁体北（,N,）极沿磁体周围空间到磁,体南（,S,）术，然后再通过磁体内部回到北,(N),极的闭合曲线。,曲线上每一点的切线方向,(,即小磁针,N,极在该点的指向,),就表示,该点的磁场方向；曲线在某处的疏密程度,(,单位面积的磁感线,根数,),就表示该处的磁感应强度，如图,2,1,所示。,68,212 磁场与磁感线1磁场68,2,1,3,磁感应强度,磁场中垂直穿过单位面积上磁感线的条数称为该面积所,在处的磁感应强度，又称为磁通密度。磁感应强度是用来描,述磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，是一个矢量，通,常用字母,B,来表示,式中,B,磁感应强度，单位为特,斯拉,，用,T,表示。,F,力，单位为,N,。,I,电流，单位为,A,。,L,长度，单位为,m,。,如果磁场中某一区域内各点的磁感应强度的大小和方向,都相同，则该区域内的磁场称为均匀磁场。均匀磁场的磁感,线是一些均匀分布的平行直线。,69,213磁感应强度 磁场中垂直穿过单位面积上磁,2,1,4,磁通量,磁感应强度和与它垂直的某一截面积的乘积，,称为通过该截面积的磁通量。换言之，磁场中穿过,某一面积磁感线的条数就为穿过该面积的磁通量，,简称磁通，用 来表示。对于均匀磁场，因,B,为常,数，则有,式中,磁通量，单位为用,Wb,表示。,B,磁感应强度，单位为,T,。,A,面积，单位为,m2,。,在国际单位制中，磁通量的单位名称是韦,伯,，,简称韦，单位符号是,Wb,。,70,214 磁通量 磁感应强度和与它垂直的某一截,2.2,电流的磁效应和磁路,2,2,1,电流的磁场,丹麦物理学家奥斯特于,1820,年发现电流的周围存在着磁场。电流是产生磁场,的根本原因，电流和磁场有着不可分割的联系，磁场总是伴随着电流而存在的，,电流则永远被磁场所包围，磁场是由电流产生的,人们把电流产生磁场的现象称,为电流的磁效应。,2.2.2,通电直导体的磁场,一根直导体通人电流后，导体周围就产生磁场，其磁感线的分布是以导体为,中心的一组同心圆，如图,2,2(a),所示。,实验证明，通电直导体周围各点磁场的强弱与导体中电流大小成正比，磁场,的方向与电流的方向有关，可用右手螺旋定则确定：右手握住导体，用大拇指指,向电流方向，则其余四指弯曲的方向就是磁场的方向，如图,2,2(b),所示。,2,2,3,通电线圈的磁场,把导线绕成螺旋状的线圈并通人电流，也能产生磁场，通电线圈的磁场相,当于一块条形永久磁铁的磁场，如图,2,3(a),所示。,71,2.2 电流的磁效应和磁路221 电流的磁场71,72,72,2,2,4,磁路欧姆定律,磁通集中通过的闭合路径称为磁路，在汽车电器中，为,了获得较强的磁感应强度，常常把磁通集中到一定形状的路,径中。形成磁路的最好方法是用铁磁材料做成各种形状的铁,心，使磁感线在铁心中形成闭合回路。图,2,4,所示就是几种,电器的磁路。,73,224 磁路欧姆定律73,2,3,磁场对电流的作用,2,3,1,磁场对通电直导体的作用,如图,2,5,所示，在,U,形磁铁中悬挂一根直导体，并使导体垂直于磁,感线，导体两端分别连接于蓄电池的两个极上，未通电时，导体是静止,的，如果接通电源，导体就向一边运动，最后到达一个新的位置而平衡,下来，若改变电流方向或对调磁极，导体将向另一边运动。这说明通电,导体在磁场中将受到作用力，这种作用力称为磁场力。,实验证明：在均匀磁场中，通电直导体受到电磁力,F,的大小与磁感,应强度,B,成正，与导体中电流成正比，与导体在磁场中的有效长度,L,成正,比，即,F=BIL,载流直导体在磁场中的受力方向，可用左手定则来判定，具体方法,是将左手伸平，拇指与四指垂直，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电,流的方向，则拇指所指方向就是导体的受力方向，如图,2,6,所示。,74,23磁场对电流的作用 231 磁场对通电直导体的作用7,75,75,例,2.1,如图,2.7,所示，试判断图中直导体的电流方向或受力方向,(,图中 表示电流垂直纸面向里， 表示电流方向垂直纸面向外,),。,解,利用左手定则判断结果为图,2,。,7(a),的直导体受力方向为向下 ，图,2,。,7,（,b,）的直导体的电流方向为垂直纸面向外。,76,例2.1 如图2.7所示，试判断图中直导体的电流方向或受,2,3,2,磁场对通电线圈的作用,研究磁场对通电线圈的作用更有实际意义，因为在汽车电,器中许多直流电动机，如刮水器电动机、空调鼓风机和起动,机的直流电动机等都是利用这一原理制成的。,1,通电线圈在磁场中的受力,如图,2,8(a),所示，在均匀磁场中放置一个可绕轴,00,转动,的通电矩形线圈,abcd,。已知：,ad=bc=L1,；,ab=cd=L2,：。当,线圈与磁感线平行时，因,ab,边和,cd,边与磁感线平行，所受电,磁力为零，而,ad,边和,bc,边与磁感线垂直，所受电磁力最大，,而且,F1=F2=BIL1,。此时受电磁力作用的两个边也称为有效,边。,77,232 磁场对通电线圈的作用77,78,78,2,通电线圈在磁场中的转矩,转矩等于力偶中的任意一个力与力偶臂的,乘积，因而图,2,8(a),中矩形线圈转矩为,式中,T,线圈中受到的电磁转矩，单位为,Nm,。,B,均匀磁场的磁感应强度，单位为,T,。,79,2通电线圈在磁场中的转矩79,2.3.3,磁场对通电半导体的作用,(,霍尔效应,),如图,2,9,所示，把一块半导体基片,(,霍尔元件,),放,在磁场中，当在与磁场垂直的方向上通以电流时，,则在与磁场和电流相垂直的另外横向侧面上产生电,压。这一现象是美国物理学家霍尔于,1879,年发现,的，因此命名为霍尔效应。,实验证明：霍尔效应中产生的电压,UH,，,(,霍尔电,压,),的大小与通过半导体基片的电流,I,和磁场的磁感,应强度,B,成正比，与基片的厚度,d,成反比。即,80,2.3.3 磁场对通电半导体的作用(霍尔效应)80,81,81,2.4,电磁感应,2,4,1,电磁感应现象及其产生的条件,英国科学家法拉第在大量实验的基础上，于,1831,年发现,了磁生电的重要事实及其规律,电磁感应定律，下面介绍,两个典型的实验。,实验一,在图,2,10,所示的均匀磁场中放置一根直导体,AB,，导体两,端连接一个灵敏电流计,C,，当导体垂直于磁感线做切割运动时，可以明,显地观察到电流计的指针偏转，当导体静止不动或平行于磁感线方向运,动时，电流计的指针不动。,实验二,如图,2,11,所示，空心线圈两端连接灵敏电流计,G,，时，会,观察到电流计的指针偏转，如果条形磁铁在线圈中静止不动，电流计指,针也不动，如果将条形磁铁由线圈中迅速拔出，会看到电流计的指针反,向偏转。,82,2.4 电磁感应241 电磁感应现象及其产生的条件8,83,83,2,4,2,楞次定律,俄国物理学家楞次经过大量实验，于,1833,年发现判定感应电流方向,的重要定律,楞次定律。其内容是：感应电流产生的磁通总是企图阻,碍原磁通的变化。应注意的是，感应电流产生的磁通只是企图阻碍原磁,通的变化，而不是阻碍原磁通的存在。,在图,2,12(a),中，原磁通方向向下，由于磁铁插入线圈时，线圈中磁,通变化趋势为增加，根据楞次定律，感应磁通企图阻碍原磁通的增加，,即与原磁通方向相反。因此感应磁通的方向向上。最后用右手螺旋定则,判断感应电流的方向，即用右手握住线圈，让拇指指向感应磁通方向，,则弯曲四指的指向就是感应电流的方向，把线圈看成电源，则感应电动,势的极性为下正上负。用同样的方法亦可判断出图,2,12(b),中线圈产生,感应电动势的极性为上正下负。,84,242 楞次定律84,85,85,2,4,3,自感现象,1,自感现象,所谓自感现象就是线圈内变化的磁通源于线圈本,身通人变化的电流。如图,2,15,所示，,闭合开关,S,，调节,RP,改变流人线圈电流的大小或,改变电流的方向，则线圈的磁通量大小,(,或方向,),发,生变化，从而在线圈中产生感应电动势。这种由通,人线圈的电流发生变化而产生感应电动势的现象称,为自感现象，由自感现象产生的感应电动势称为自,感电动势，用符号,eL,表示。,86,243 自感现象86,2,自感电动势,由楞次定律可知：自感电动势总是阻碍原电流,的变化，当线圈中电流,i,增大,(,减小,),时，自感电动势,的方向与原电流方向相反,(,相同,),，如图,2,16,所示。,实验证明：自感电动势的大小与线圈的自感系数和线圈,中电流的变化率成正比。,87,2自感电动势87,2,4,4,互感现象,1,互感现象,所谓互感，就是由于一个线圈中电流的变化使另一个线圈产生感应电动势的,现象，这个感应电动势称为互感电动势，用,eM,表示。,如图,2,17,所示，线圈,1,和线圈,2,靠得很近，线圈,2,的两端接一个灵敏电流计,G,，当开关,S,断开和闭合的瞬间，会看到电流计发生左右偏转，这是因为线圈,1,中,电流的变化产生了变化的磁通，其中一部分变化的磁通通过线圈,2,，由于线圈,2,产,生感应电动势，而使相连的电流计指针发生偏转。,2,互感电动势,互感电动势的方向可用楞次定律来判定，其具体方法是：,(1),根据线圈中电流的方向，确定线圈中互感磁通的方向。,(2),根据线圈,1,中电流变化的趋势，确定通过线圈,2,中互感磁通的变化趋势。,(3),根据楞次定律判定线圈,2,中感应磁通的方向。,(4),根据右手螺旋定则判定互感电流的方向。,88,244 互感现象88,89,89,2,5,电磁铁和继电器,2,5,1,电磁铁,人们常用铁磁材料,(,软铁,),作铁心，在外面绕上线,圈，再通以电流做成电磁铁，如图,2.19,所示。电磁,铁和永久磁铁一样具有磁性，电磁铁的线圈通电时,其铁心就具有磁性，产生磁吸力。,实验证明，磁吸力的大小与线圈的匝数、电流,的大小及空气隙的大小等多种因素有关。电磁铁线,圈的电流越大，线圈匝数越多，磁吸力越大，空气,隙越长，磁吸力就越小。而当电磁铁断电后，剩磁,很小。,90,25电磁铁和继电器251 电磁铁90,2,5,2,继电器,在自动、半自动以及遥控系统中，常用电磁铁做成各,种继电器，它的作用是控制电路的接通与关断。,继电器一般由电磁铁、触点、衔铁和弹簧等部分组成。,如图,2,21,所示为汽车起动机继电器示意图。,91,252 继