一、电路的构成要素。 电路即电流的通路,无论简单与复杂,一条能完成某项特定功能的电路都必须有电源、负载和连接导线这三个基本组成要素。 1.电源。 电源在电路中提供电能,有交流和直流两种电源。汽车上所使用的蓄电池和发电机是直流电源,蓄电池是将其极板上储存的化学能转变成电能向汽车上的用电设备供电,而发电机则是在发动机的驱动下将机械能转变成电能向汽车电路输出电流。 2.负载。 负载在电路中可将电能转变成光、声、热、机械等能量,电路通过负载实现其所赋的功能。负载有电阻性、电容性和电感性三种类型,电阻类负载消耗电能,而电容和电感本身并不消耗电能,但实际电路中的负载则可能是以电阻、电容、电感中的某种特性为主,兼有其他一种或两种负载特性。比如继电器线圈,是电感类负载,但同时具有直流电阻和分布电容。在汽车上,各种照明和信号灯、电喇叭、继电器及电子装置等均是汽车电路中的负载。 3.连接导线。 连接导线在电路中连接电源和负载,起传输和分配电能的作用。连接导线通常是由铜、铝、银等金属导体制成,并用绝缘材料包装。汽车电路的连接导线就是连接电源与各用电设备的配线,汽车电路还利用“搭铁”来简化线路,即通过发动机的机体、车身及车架等金属部分作为电流的回路。 除了电源、负载和连接导线这三大要素外,汽车电路中通常还配以相应的控制开关,以及熔断器、易熔线、断路器等电路安全保护器件。控制开关可使电路在人们的控制下工作,安全保护器件则是为了保护电路不被过载电流或短路电流烧坏。
二、电路的基本参数。
1.电动势。
电动势E的物理定义是电源力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功。在电源的内部,电源的正极和负极之间存在着电场,要保持电源有对外的供电能力,就必须用电源力来克服电源内部的电场力,持续不断地将正电荷从电源的负极移动到电源的正极(图1-1)。
电动势是反映发电机、蓄电池等电源其电源力对电荷做功的能力,其单位是伏特,简称伏(V)。电源力可由热能、机械能、化学能等其他能量转化而来。由图1-1可知,建立了电动势的电源,当连接外电路和负载后,就会在电路中形成电流l。
2.电压。
电压U就是静电场或电路中两点之间的电位差,它反映电场力对电荷做功的能力,数值上等于电场力把单位正电荷从电源的正极经外电路移到负极所做的功。电压U的单位也是伏特(V),从电动势和电压的定义来看,两者的物理含义显然是不相同的。电动势表示电源内部电源力对电荷做功的能力,而电压反映的是电路中电场对电荷做功的能力。
3.电流。
电流是指电荷有规律的运动,而导体能通电流是因为导体中有受原子核束缚力很小的自由电子。这些自由电子平时围绕原子核作不规则运动。当电路接通电源时,通过导体形成外电场,导体中的自由电子就会在电场力的作用下作定向运动,即形成了电流。电流的大小以单位时间里所通过的电荷来度量,其单位是安培,简称安(A)。电流的方向就是正电荷运动的方向(从电源的正极流向电源的负极),而导体中实际运动的是电子(负电荷),其定向运动的方向与电流的方向相反。
4.电阻与欧姆定律。
电路中具有阻碍电流通过的作用称之为电阻,电阻R的单位为欧姆,简称欧(Ω)。电路中流过电阻R的电流/与电阻两端的电压U成正比,这就是欧姆定律,其表达式如下:
R=U/I从欧姆定律可知,对于具有一定电阻的电路来说,所加电压越高,电路形成的电流也越大;在电压恒定不变时,电路的电阻越小,其电流越大。
U=E
由于电源的内阻一般都很小,故输出的短路电流很大,可将电源和线路烧毁。因此,汽车电路中设有电路保护装置(如熔断器),以便在电路出现短路故障时,及时切断电路,避免线路被烧坏。
四、电路中负载的串联与并联。
1.电阻的串联。
在电路中有多个电阻时,其中通过同一电流的各个电阻称之为串联电阻,有两个串联电阻的电路如图1-5所示。
电路中电阻串联的等效电阻是各个串联电阻值之和(R=R1+R2);而电路中各串联电阻上的电压就是其电阻与电流的乘积(U1=R1I;U2=R2I)。串联电路中,电阻值大的电阻其电压也高。以图1-5所示的电路为例,两个串联电阻上的电压分别为
各串联电阻上的电压之和等于电源的端电压(U=U1+U2)。如果R1<
电路中两个电阻并联的等效电阻为
从上式可看出,当电路中有两个或两个以上的电阻并联时,并联电路的等效电阻比并联电路中电阻中最小的电阻还小。各并联电阻通过的电流为:
各条并联支路的电流之和就是电源的输出电流(I=I1+I2),且并联电阻上的电流大小与电阻值成反比。如果R1<<R2,则I1>>I2,即在各条并联电路的电阻差值很大的情况下,电源电流几乎都是从电阻小的支路通过,而电阻大的支路其电流可以忽略不计。
五、电路中的电位。
电路中的电位就是相对于电路中某参考点的电压,参考点不同,电路各点的电位也不同。以图1-7的电路为例,说明电路中电位的概念。
图1-7中各段电路的电压为:
若以A点为参考点,电路中其他各点的电位为
若以B点为参考点,电路中其他各点的电位为
可见,电路中两点之间的电压绝对值是确定的,正负则与参考点有关,比如,UAB=60V,UBA=-60V;电路中各点的电位是相对参考点而言的,选择不同的参考点,电位的正负及大小都会有所不同。