第1章　汽车电工基本知识

1.1　电工电子基础知识

1.1.1　电工电子常见基本概念及定律

（1）电压、电流和电阻

电压、电流、电阻是组成任何汽车电子电路的三大要素，图1-1-1描述了三者之间的关系。电压是电子流过导体（电路）形成电流的动力，而电阻就是电子移动过程中遇到的阻力，不过要说明的是只有在封闭的电气回路中才能形成电流。

图1-1-1　电压、电阻、电流三者之间的关系

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，在此先介绍一些原子物理学的基础知识。

① 原子、电子和电荷载体　所有物质都由不同的元素构成。这些元素最小的组成部分是原子。原子是可分割的，由中子、质子和电子组成。关于原子结构有多种不同理论。尼尔斯·玻尔理论是电工学理论中最为直观的一个。中子是不带电荷的质量粒子。质子是带正电荷的粒子。电子是带负电荷的粒子。电子多于质子或质子多于电子时将原子称为离子。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）。

② 电压　正电荷与负电荷分别位于不同两侧时便会产生电压电源。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。

汽车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位差，即电压。电压的高低取决于电子数量之差，可用图1-1-2中的水位差来解释此现象。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位差或电路断路。

图1-1-2　电位差

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）。

电压的符号是U，计量单位是V。数值和极性保持不变的电压称为直流电压。使用最多的直流电压电源包括原电池（蓄电池）、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。数值大小和极性不断变化的电压称为交流电压。

③ 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。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，如图1-1-3所示。

图1-1-3　电流的产生

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。每秒钟流经导体的电子越多，电流强度就越大。

电流强度的符号是I，计量单位是A。在最简单的情况下，电流流动不随时间而改变。这种电流称为直流电流（DC）。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。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。

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，如图1-1-4所示。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以及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。

图1-1-4　技术电流方向

④ 电阻　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，其他各部件都有一个可影响电路电压和电流的电阻值。

电阻的符号是R，计量单位是Ω。

导线的电阻取决于导体的尺寸、电阻率和温度。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电阻值不同。每种物质都有一个特定的电阻率ρ。某种物质的电阻率是指温度为20℃时长1m、横截面1mm²导体的电阻值。温度越低电阻越小。

（2）欧姆定律

电流、电压、电阻称为电的三要素，它们之间的关系就是欧姆定律。在同一电路中，导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比，这就是欧姆定律。

电压、电流和电阻之间的关系可用图1-1-5的水流来代替说明。电压一定时，电阻越高，电流越小。如图1-1-6所示，水流的压力随着位于水箱和水轮之间的阀门的开度而变化，因此水轮机的转速也随之变化。此阀门相当于电路中的电阻。

图1-1-5　电压、电流、电阻之间的关系

图1-1-6　阀门与电阻

如图1-1-7所示，增加水箱中水的容量可以增加水轮的速度。另外，减小阀门的开度阻止水流，便减慢了水轮的速度。因此，调节水压及阀门开度便可以将水轮控制在设定的速度运行。同样，在电路中，改变电阻及电压，可以对电路中各设备分配不同的做功量。

图1-1-7　水流量的调节

欧姆定律公式如图1-1-8所示。电流、电压和电阻存在以下关系：增加电压可以增大电流；减少电阻可以增大电流。这种关系可归纳如下：电流与电压成正比，与电阻成反比。电压、电流及电阻间的这种关系由欧姆定律定义，写成公式为

U＝RI

式中　U——电压，V；

　　　R——电阻，Ω；

　　　I ——电流，A。

图1-1-8　欧姆定律公式

1.1.2　电路的基本概念

电路的概念可通过图1-1-9来理解。如图1-1-9（a）所示，把蓄电池的正极、负极与灯泡用导线连接起来形成电通路称为电路或回路。如果用符号表示图中的电器，就会得到图1-1-9（b）所示的电路图，图中R表示灯泡的电阻，箭头表示电流的方向。如果在图1-1-9（b）电路中增设开关就形成了图1-1-9（c）所示电路，该电路可通过开关控制通与断。开关断开时，电路中没有电流通过，灯不亮，这种状态称为开路或断路。当开关闭合时，电路中有电流通过，灯亮，这种状态称为通路。

图1-1-9　电路的概念

图1-1-10是一个简单的电路，一个完整的电路由电源、负载、控制和保护装置及连接导线四部分组成。电路中的负载是将电能转换成其他形式能量的装置。负载性质可分为电阻组件、电感组件和电容组件三种。图1-1-10中的蓄电池就是电源，保险丝是保护装置，开关用于控制电路通断，是控制部件，而灯泡就是负载，导线和接地连接都属于电路连接。