0 汽车电路基础知识

本章主要介绍的内容有：1电路的基本概念1.1描述电路的基本物理量1.2电流、电压的参考方向1.3欧姆定律1.4电路与电路模型1.5电路的工作状态1.6电路元件1.7电源元件绪论汽车电路基础知识2电路基本定律2.1电路的常用术语2.2基尔霍夫定律•为了能够更好地了解电压、电流、电阻以及半导体、导体和绝缘体等电学参数，在此需要介绍一些原子物理学的基本原理。原子，电子和电荷载体•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。大约2500年前，德谟克利特（古希腊学者）就提出了世界是由不可分割的微粒构成的假设。由此得到了原子这个名称：a-tomos（原子）=不可分割。•现在我们知道，原子是可分割的，由中子、质子和电子组成。•有多种关于原子结构的理论。尼尔斯·玻尔理论是电工学理论中最为直观的一个。上图所示的原子模型即玻尔原子模型。它表示了电子、质子和中子之间的相互关系。人们假设，原子由一个原子核和一个原子壳组成。•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。原子，电子和电荷载体原子，电子和电荷载体锂原子结构图1电子2中子3质子•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•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•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？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？什么是电压？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？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？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？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？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？•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？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？•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？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？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？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？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？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？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？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？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。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Ω（欧米加）。电路符号电阻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ρ。•某种物质的比电阻是指温度为20°C时长