電路的基本物理量
在了解汽車電路之前，先來學(xué)習(xí)一下電路的基本物理量。
圖1-1所示為日常生活中常見的手電筒，它是應(yīng)用直流電路的原理進(jìn)行工作的。在直流電路中有三大要素，即電壓、電流、電阻，這三者之間有定律關(guān)系。
圖1-1 手電筒
1.電流
當(dāng)閉合手電筒的開關(guān)，燈泡亮了，因為有電流流過燈泡。大量的電荷朝一個方向移動(也稱定向移動)就形成了電流。 電流只在含有很多自由電子的物體中流動。電流是對在導(dǎo)體里移動的電子流的稱謂，就像公路上有大量的汽車朝一個方向移動就形成“車流”一樣。
電流用 I 來表示，單位為安培(簡稱安)，用A表示，比安培小的單位有毫安(mA)、微安( μ A)，它們之間的關(guān)系為 1A=1000mA，1mA=1000 μ A 。
通常規(guī)定電流的方向是從高電位(正極)到低電位(負(fù)極)。圖1-2所示電路的電流方向如圖中箭頭所示，即 電源正極→燈泡→電源負(fù)極。
圖1-2 電流的方向
提示
汽油發(fā)動機啟動電流為200～600A，有些柴油機啟動電流達(dá)1000A。
2.電壓
電壓是導(dǎo)致電子在導(dǎo)電體內(nèi)流動的一種電力或壓力，是位于兩點之間的電位差。電壓就如水壓一樣，水的流動是因為有水壓(水位差)，如圖1-3所示，水由高水位向低水位流動。在電路中，由于有電壓(電位差)的存在，電流就會從高電位點流向低電位點。
圖1-3 水位差
圖1-4(a)中水流的形成是由于抽水機給水流提供能量，抽水機的工作使水路存在一個穩(wěn)定的水壓，從而保證水流得以持續(xù)。圖1-4(b)中電源的作用與抽水機類似，它給電路中的電流提供能量，使電路存在一個穩(wěn)定的電壓，從而保證電流得以持續(xù)。電壓是使自由電荷發(fā)生定向移動的原因，但是當(dāng)電路無電流流動時，電壓依然存在。
圖1-4 水壓與電壓
電壓分為直流電壓與交流電壓。如果電壓的大小及方向都不隨時間變化，則稱之為直流電壓，用 U 表示。汽車電路中的電壓一般指的是12V直流電壓。通常規(guī)定電壓的參考方向為高電位(“ ”極性)端指向低電位(“-”極性)端，即電壓的方向為電位降低的方向。
電壓的國際單位為伏特(V)，常用的單位還有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏( μ V)等， 它們之間的關(guān)系為1kV=1000V，1V=1000mV，1mV=1000 μ V。
3.電阻
河中的水流遇到石頭時會受到阻礙。同樣電流在導(dǎo)體中也會受到阻礙。導(dǎo)體對電流的阻礙作用稱為電阻，電阻即阻止電流流動及減緩流動的力 (圖1-5)。電阻將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能，如熱能、光能或動能。
圖1-5 電路中的電阻
電阻在電路中用 R 表示，電阻的單位有歐姆(Ω)、千歐(kΩ)、兆歐(MΩ)， 它們之間的關(guān)系為1kΩ=1000Ω，1MΩ=1000kΩ。
影響電阻大小的因素有導(dǎo)體的材料、長度、溫度、橫截面積。
4.歐姆定律
前面講了電路的三大要素，即電壓、電流、電阻，它們之間的關(guān)系就是歐姆定律。
歐姆定律：在同一電路中，導(dǎo)體中的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比。寫成公式形式：
U = RI
式中 U —電壓， V ;
R —電阻， Ω ;
I —電流， A 。
歐姆定律可用圖1-6表達(dá)。也就是說，如果電阻恒定而電壓變化，電流將隨電壓的增大或減小而(成比例地)增大或減小;如果電壓恒定而改變電阻，電流與電阻的變化相反，電阻變大時電流將減小，而電阻減小時電流將增大。
圖1-6 歐姆定律
為在汽車電路中應(yīng)用歐姆定律，記住它的一個較容易的方法是把它想象為一個電壓恒定的蹺蹺板，如圖1-7所示。電壓不變時，如果電阻下降，則電流便會上升。反之，電阻升高，電流下降。
圖1-7 歐姆定律(電流與電阻對比)
電路及其工作狀態(tài)
1.電路
電路是電流流過的路徑。 把一個燈泡通過開關(guān)、導(dǎo)線和干電池連接起來，就組成了一個簡單的電路，如圖1-8所示。
圖1-8 簡單電路的組成
可以看出，電路一般由電源、負(fù)載、控制裝置以及連接導(dǎo)線組成。
(1)電源 圖1-8中的干電池就是電源。電源是電路中供應(yīng)電能的設(shè)備，如汽車上的發(fā)電機、蓄電池都是電源。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換成電能，蓄電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。
(2)負(fù)載 是將電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量的裝置。燈泡、電爐、電動機等都是負(fù)載。燈泡是將電能轉(zhuǎn)變成光能，電爐是將電能轉(zhuǎn)變成熱能，電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能。
(3)控制裝置 圖1-8中開關(guān)是控制裝置，它為電流提供通路，把電源的能量供給負(fù)載，并根據(jù)負(fù)載需要接通和斷開電路。
(4)導(dǎo)線 用來連接電源和負(fù)載，傳輸電能。汽車電路中，蓄電池和電路的負(fù)極與車體的金屬架連接，以車體本身代替導(dǎo)線。
2.電路的工作狀態(tài)
電路的工作狀態(tài)有三種，即通路、開路、短路。
(1)通路 是指從電源的一端沿著導(dǎo)線經(jīng)過負(fù)載最終回到電源另一端的閉合電路。如圖1-9所示，當(dāng)開關(guān)閉合后，電源與負(fù)載接成閉合回路，電路中有電流流過。
圖1-9 通路
(2)開路 也稱斷路，有控制性開路和故障性開路兩種。開路狀態(tài)時電路中沒有電流流過?？刂菩蚤_路是根據(jù)需要，人為將開關(guān)斷開，使電路切斷;而故障性開路是由于插頭斷開、電線截斷、保險絲燒斷或其他原因致使電流不能從電源正極流向負(fù)載和負(fù)極的不完整的電路。圖1-10所示為控制性開路，當(dāng)開關(guān)斷開時，電路中的電流為零。
圖1-10 開路
提示
在汽車電路中，由于插接器連接問題造成的斷路故障比較常見。
(3)短路 在電源正極和負(fù)極之間，負(fù)載被導(dǎo)線直接短接或負(fù)載內(nèi)部擊穿損壞，電流繞過了部分或全部電路負(fù)載而流過的較短(電阻較小)路徑的情況稱為短路。短路會導(dǎo)致電源嚴(yán)重過載，為防止電源被燒毀或發(fā)生火災(zāi)，通常要在電路中安裝保險絲等保護(hù)裝置，實現(xiàn)過電流保護(hù)。圖1-11所示的狀態(tài)為短路。
圖1-11 短路
提示
電路產(chǎn)生短路的原因大多是由于絕緣材料損壞或接線不慎引起，因此應(yīng)經(jīng)常檢查電氣設(shè)備和線路的絕緣情況。
電路基本連接方式
電路的連接方法主要有串聯(lián)和并聯(lián)。
1.串聯(lián)電路
這是一種最簡單的電路，電源、負(fù)載、導(dǎo)體以及控制裝置都與僅有的一條電路徑相連。每個元件的電阻都可以是不同的，數(shù)值相同的電流將流經(jīng)每一個元件，所以通過每個元件的電壓也將是不同的。如果路徑損壞，電流便不能通過。串聯(lián)電路可以用水流來描述，如圖1-12所示。
圖1-12 電路的串聯(lián)與水流原理
串聯(lián)電路定律：
①電路的總電阻等于各電阻之和。
②串聯(lián)電路中每一點的電流都是相同的。
③串聯(lián)電路中各個壓降的總和等于電路兩端的總電壓或電源電壓。
2.并聯(lián)電路
若干個元件首與首連接，尾與尾連接，接到一個電源上，這種連接方法稱為并聯(lián)。一個并聯(lián)電路有一個以上的電流通路，每個分路的電壓相同。假如每個分路的負(fù)載電阻相同，分路電流也將相同。假如分路里的負(fù)載電阻不同，分路電流也將不同。假如有一個分路損壞，電流將繼續(xù)流往其他分路。并聯(lián)電路也可以用水流來描述，如圖1-13所示。
圖1-13 電路的并聯(lián)與水流原理
并聯(lián)電路定律：
①并聯(lián)電路中，通過各分路的電壓相同。
②并聯(lián)電路中的總電流等于各個分路電流的總和。
③并聯(lián)電路中的總電阻通常小于最小電阻分路里的電阻。
直流電與交流電
1.直流電
方向和大小均不隨時間變化的電流或電壓稱為直流電(DC)。直流電流可由電池、熱電偶、太陽能電池和換向器式的發(fā)電機產(chǎn)生。汽車的大部分系統(tǒng)均使用直流電。直流電的優(yōu)點是可以被儲存在蓄電池中。圖1-14所示為12V的直流電壓。
圖1-14 直流電壓
2.交流電
大小和方向隨時間改變的電流或電壓稱為交流電(AC)。如果電壓和電流是按周期性正弦規(guī)律變化的，則稱為正弦交流電。在汽車維修企業(yè)中，許多大型汽車維修檢測設(shè)備是用交流電作為電源的，其波形如圖1-15所示。
圖1-15 正弦交流電
汽車發(fā)電機所產(chǎn)生的就是交流電。由于磁路定律，交流電很容易在發(fā)電機中產(chǎn)生，但是卻難以儲存。因此，發(fā)電機配備有特殊電路，可以在應(yīng)用于車輛電氣系統(tǒng)之前被轉(zhuǎn)換成直流電。
{!-- PGC_COLUMN --}電流的三大效應(yīng)
電流的效應(yīng)是多方面的，電流三大效應(yīng)是指電流的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和磁效應(yīng)。
1.電流的熱效應(yīng)
電流通過電阻要發(fā)熱，電流做功而消耗電能，產(chǎn)生了熱量，這種現(xiàn)象稱為電流的熱效應(yīng)。 如除霜器、點煙器、座椅加熱裝置(圖1-16)等就是利用這種效應(yīng)制成的。當(dāng)電流流經(jīng)除霜器或點煙器時，就將電能轉(zhuǎn)換成熱能而產(chǎn)生熱。當(dāng)過大電流流過保險絲時，因為產(chǎn)生熱而將保險絲熔斷。
圖1-16 座椅加熱裝置
2.電流的化學(xué)效應(yīng)
電流通過導(dǎo)電的液體會使液體發(fā)生化學(xué)變化，產(chǎn)生新的物質(zhì)，電流的這種效應(yīng)稱為化學(xué)效應(yīng)，如電解、電鍍、電離等。圖1-17所示為電解硫酸銅。
圖1-17 電解硫酸銅
汽車蓄電池的充電就是應(yīng)用電流的化學(xué)效應(yīng)。
3.電流的磁效應(yīng)
任何通有電流的導(dǎo)體都可以在其周圍產(chǎn)生磁場現(xiàn)象，稱為電流的磁效應(yīng)。喇叭、繼電器等都是利用電流的磁效應(yīng)制成的。
如圖1-18所示，把通電導(dǎo)體與指南針(磁針)平行放置，然后接通電源，當(dāng)導(dǎo)體上有電流通過時，周圍產(chǎn)生磁場，使附近的磁針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。
圖1-18 電流的磁效應(yīng)
如果給直條導(dǎo)線通電，在直條導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁力線。磁力線的方向可以用安培右手定則(導(dǎo)線)來判定(圖1-19)： 以右手握住有電流的直條導(dǎo)線，拇指指向電流方向，其余四指的方向即為磁力線的方向。
圖1-19 安培右手定則(導(dǎo)線)
如果把導(dǎo)線做成環(huán)狀并在導(dǎo)線中通入電流，導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁力線，這時每條圓形磁力線從環(huán)形導(dǎo)線的一邊進(jìn)入另一邊。換句話說，這些磁力線都穿過環(huán)狀導(dǎo)線中心，這樣就形成了一個帶有N極和S極的弱電磁體。這些磁力線從N極離開環(huán)形導(dǎo)線，沿環(huán)形導(dǎo)線外部流動，在S極重新進(jìn)入，就像一塊條形磁鐵，如圖1-20所示。
圖1-20 通電環(huán)形導(dǎo)線產(chǎn)生的磁力線
當(dāng)一帶電導(dǎo)線變成線圈時就會產(chǎn)生一個帶N、S極的磁場， 如條形磁鐵一樣。
如果將一鐵芯放入線圈中，磁場會變強，因為磁力線穿過鐵芯比穿過空氣要容易得多。一根鐵芯能使磁場強度增大很多倍。線圈產(chǎn)生的磁力線如圖1-21所示。這種稱為電磁體的結(jié)構(gòu)在發(fā)電機中得到應(yīng)用。發(fā)電機使用繞成很多匝的載流導(dǎo)體以及放在其中的一塊稱為極心的鐵芯， 用以產(chǎn)生強磁場。
圖1-21 線圈產(chǎn)生的磁力線
線圈磁力線的方向可以用安培右手定則(線圈)來判定(圖1-22)： 用右手握住線圈，使四指的方向與電流的方向一致，拇指的指向就是磁力線的方向。
圖1-22 安培右手定則(線圈)
汽車起動機上的電磁開關(guān)、啟動繼電器等就是電流磁效應(yīng)的典型應(yīng)用。圖1-23所示為電磁開關(guān)示意圖，一個較小的電流流過繞在鐵芯上的電磁線圈，產(chǎn)生電磁吸力使電路觸點閉合。然后，開關(guān)觸點便可能接通大電流到用電設(shè)備，即以小電流控制大電流。
圖1-23 電磁開關(guān)示意圖
電磁力與電磁感應(yīng)
1.電磁力
載流導(dǎo)體在磁場中所受的作用力稱為電磁力。通電直導(dǎo)體在磁場中所受作用力的方向，可用左手定則判定(圖1-24)： 將左手伸開，使拇指與四指垂直，讓磁力線垂直穿過掌心，四指朝向?qū)w電流的方向，拇指所指的方向就是導(dǎo)體所受電磁力的方向。
圖1-24 左手定則
2.電磁感應(yīng)
電磁感應(yīng)實驗如圖1-25所示。
圖1-25 電磁感應(yīng)實驗
在圖1-25(a)所示的均勻磁場中放置一根導(dǎo)體。導(dǎo)體兩端連接一個燈泡，當(dāng)導(dǎo)體垂直切割磁力線時，可以明顯地觀察到燈泡發(fā)光。這說明導(dǎo)體回路中有電流存在。另外，當(dāng)使導(dǎo)體平行于磁力線方向運動時，燈泡不發(fā)光，說明導(dǎo)體回路中不產(chǎn)生電流。
在圖1-25(b)所示實驗中，空心線圈兩端連接檢流計。當(dāng)用一塊條形磁鐵快速插入線圈時，我們會觀察到檢流計指針向一個方向偏轉(zhuǎn);如果條形磁鐵在線圈內(nèi)靜止不動，檢流計指針不偏轉(zhuǎn);再將條形磁鐵由線圈中迅速拔出時，又會觀察到檢流計指針向另一方向偏轉(zhuǎn)。
上述兩實驗現(xiàn)象說明： 當(dāng)導(dǎo)體相對于磁場運動且切割磁力線或者線圈中的磁通發(fā)生變化時，在導(dǎo)體或線圈中都會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。若導(dǎo)體或線圈構(gòu)成閉合回路，則導(dǎo)體或線圈中將有電流流過，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
要注意的是這種切割磁力線的運動可以是導(dǎo)體相對磁體運動，也可以是磁體相對導(dǎo)體運動。圖1-26所示為導(dǎo)體(線圈)在磁場中做切割磁力線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流。汽車的交流發(fā)電機就是利用電磁感應(yīng)原理發(fā)電的。
圖1-26 導(dǎo)體(線圈)在磁場中做切割磁力線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流
圖1-27所示為一個典型的交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上繞有勵磁線圈，當(dāng)外電路通過電刷使勵磁繞組通電時，便產(chǎn)生磁場，使爪極被磁化為N極和S極。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，磁通交替地在定子繞組中變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，定子的三相繞組中便產(chǎn)生交變的感應(yīng)電壓。
圖1-27 交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子
電功和電功率
1.電功
電功是指電場力對自由電荷所做的功，也就是通常所說的電流所做的功。做功的過程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過程。
如果一段電路兩端的電壓為 U ，通過的電流為 I ，在時間 t 內(nèi)，電場力做的功為W = UIt ，即電流在一段電路上所做的功等于這段電路兩端的電壓 U 、電路中的電流I 和通電時間 t 三者的乘積。在國際單位中，電功的單位是焦(J)，常用單位有千瓦時(kW·h)。
2.電功率
電流在單位時間內(nèi)所做的功稱為電功率。電功率是用來表示消耗電能快慢的物理量，用 P 表示， P = W / t = UI ，即一段電路上的電功率 P 等于這段電路兩端的電壓 U 和電路中的電流 I 的乘積。電功率表示電流做功的快慢，它的單位是瓦特，簡稱瓦，符號是W。如寶馬750i/750Li發(fā)動機功率是300kW。
汽車電路上的用電器工作時都會消耗蓄電池電能或者發(fā)電機產(chǎn)生的電能，有大功率的用電器(如前照燈、空調(diào)鼓風(fēng)機、電加熱裝置等)，也有小功率的用電器(如照明指示燈、小燈泡、收音機)。大功率用電器在關(guān)閉發(fā)動機后不宜長時間開啟，以免過多消耗蓄電池電能。同時，在啟動汽車時應(yīng)關(guān)閉大功率用電器，使發(fā)動機啟動有充足的電能。
