第一章
汽车电路与磁路
第一节 电路
一、电路的构成要素与基本物理量
电路即电流的通路，要真正理解电路的作用，就需要了解电路的构成要素和电路的基本物理量。
1.电路的构成要素
电路要形成电流的通路，以实现某种特定的功能，就离不开电源、负载和导线这三个基本要素，如图1-1所示。
图1-1 电路的构成要素
（1）电源 电源在电路中提供电能，电源有直流和交流两种类型。汽车电路使用的是直流电源，汽车直流电源是由蓄电池和硅整流发电机组成的双电源。
（2）负载 负载在电路中消耗电能，负载将电能转变成光、声、热、机械等能量，以完成电路的特定功能。负载有电阻性、电容性和电感性三种类型，实际使用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。
汽车上所有的用电设备都是汽车电路的负载。
（3）导线 导线在电路中连接电源和负载，起传输和分配电能的作用。导线通常由铜、铝、银等金属导体制成，并用绝缘材料包装。
汽车电路的导线就是将汽车电源与汽车上的用电设备连接起来的配线。
阅读提示
汽车电路除了电源、负载和导线外，还配以相应的控制开关和熔断器等安全保障设备，以实现汽车电路的控制与保护。
搭铁：汽车电路通过发动机的机体、车身及车架等金属部分作为电流的回路，人们称这种设计为搭铁。
2.电路的基本物理量
（1）电动势 电动势是针对电源的物理量，表示电源供电能力大小，其单位是伏特（V），简称伏。电动势的物理定义是电源内部的非电场力把单位正电荷从电源的负极移到正极所做的功，电源内部的非电场力可由热能、机械能、化学能等其他能量支持。在电源的内部，电源的正极和负极之间存在着电场，要使电源对外有持续的供电能力，就必须用电源内部的非电场力FW来克服电源内部的电场力FN，将正电荷从电源的负极移动到电源的正极（见图1-2）。
图1-2 电动势与电压
1—负载 2—电路 3—电路中的负电荷（电子）
4—电源负极（带负电荷）5—电场中的正电荷
6—电源正极（带正电荷） FW—电源内部的非电场力
FN—电场力
阅读提示
在车载电源中，蓄电池的电动势是由其内部储存的化学能通过电化学反应建立起来的；交流发电机的电动势则是由发动机的机械运动建立而来的。
（2）电压 电压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。电压的单位也是伏特（V），但请注意区别电压与电动势的不同物理含义。
（3）电流 电荷的定向运动称为电流，导体中电流的实质是导体内的自由电子在电场力作用下做定向运动。电流的大小以单位时间里导体横截面通过的电荷量来度量，人们以正电荷定向运动的方向为电流的方向（见图1-2）。电流的单位是安培（A）。
（4）电阻与欧姆定律 电路中阻碍电流通过的作用称为电阻，电阻的单位为欧姆（Ω），简称欧。电路中流过电阻R的电流I与电阻两端的电压U成正比，这就是欧姆定律，其表达式为
二、电路的工作状态与负载的串联和并联
1.电路的工作状态
相对于电源来说，电路的工作状态可分有载、开路和短路三种状态。
（1）有载 以图1-3所示的电路为例，说明有载状态下电路中电压与电流之间的关系。将电源开关S接通，电路中就有电流，即电路处于有载状态。在有载状态下，电路的电压、电流之间的关系为
U=IR
U=E-IR0
由此可总结如下三点：
1）电源输出电流I的大小与电源电动势E的大小、负载R及电源内阻R0的大小均有关，电动势大，负载和电源内阻小，电源输出的电流就大。
图1-3 最简单的电路
R—负载电阻 R0—电源内阻
I—电源输出电流（负载电流） E—电动势
U—电源端电压（负载电压降） S—电源开关
2）加在负载上的电压，其数值上就是电流和负载电阻的乘积。
3）由于电源有内阻，内阻的电压使电源的输出端电压低于电动势。内阻越大，相同电流下电源的端电压就会越低；输出电流越大，电源电动势与输出电压的差值也会越大。
阅读提示
汽车蓄电池的电动势为12V，在起动发动机时，由于起动机的工作电流很大（达100A），因而蓄电池内阻上的电压（IR0）较高，为2～4V。因此，起动时蓄电池输出的端电压就会降至8～10V。
（2）开路 将电源开关S断开，电路就处于开路状态。此时，电源输出电流I=0A，因而电源的端电压等于电源电动势，即
U=E
在汽车所有的用电设备均不通电（相当于电源开关断开）时，蓄电池对外不输出电流，这时测得的蓄电池正负极接线柱之间的电压也就是蓄电池的静止电动势。
名词解释
蓄电池的静止电动势是指蓄电池在不充电也不放电时，其正负极之间所具有的电位差（电动势）。
（3）短路 所谓短路是指负载电阻为零的极端情况，负载短路时，电源的端电压U=0V，就会形成短路电流，短路电流的大小为
由于电源的内阻R0一般都很小，因而电源输出的短路电流很大，可将电源和电路烧毁。
2.负载的串联和并联
实际电路中的负载可能有两个或两个以上，以串联或并联的方式连接，但都可以简化为如图1-3所示的电路。下面以电阻性负载为例，介绍电路中负载的串联和并联。
（1）电阻的串联 当电路中有多个电阻时，使电阻中通过同一电流的连接方式称之为电阻的串联（见图1-4）。
其等效电阻是各个串联电阻值之和，即
R=R1+R2
电路中串联电阻上的电压与其电阻值成正比，图1-3a所示的两个串联电阻上的电压为
图1-4 电阻的串联
a）典型电路 b）等效电阻
显然，如果R1＜＜R2，则U1＜＜U2，即当彼此串联的两个电阻其阻值大小相差太大时，小电阻的电压可以忽略不计，电压几乎都加在了大电阻上。
（2）电阻的并联 电路中有两个或两个以上的电阻施加同一个电压的连接方式称为电阻的并联（见图1-5）。
两个电阻并联的等效电阻为
即
图1-5 电阻的并联
a）典型电路 b）等效电阻
可见，多个并联电阻的等效电阻比各个并联电阻中电阻值最小的电阻还要小。各并联电阻通过的电流为
并联电阻上的电流分配与电阻值成反比，如果R1＜＜R2，则I1＞＞I2，即在电阻差值很大时，电阻大的支路上的电流可以忽略不计。
串联与并联的解读：电路中流过同一个电流的负载是串联的，电阻大的消耗的电能也多；施加同一个电压的负载是并联的，如果某负载支路中有开关、熔断器等控制和保护设备，负载之间仍然是并联的。
三、电路中的电位
电路中各点电位的高与低是针对某一个参考点而言的。电路中各点的电位实际上就是其相对于参考点的电压。如果选择不同的参考点，电路中各点的电位就会不同。下面以图1-6所示的电路为例，说明电路中电位的概念。
图1-6 电路中的电位
a）以A点为参考点 b）以B点为参考点
E1=140V E2=90V I1=4A I2=6A I3=10A
根据欧姆定律和电路分析可知，各段电路的电压为
UAB=10×6V=60V
UCA=4×20V=80V
UDA=6×5V=30V
UCB=140V
UDB=90V
若以A点为参考点，电路中其他各点的电位为
VB=-60V VC=80V VD=30V
若以B点为参考点，电路中其他各点的电位为
VA=60V VC=140V VD=90V
显然，参考点不同，C、D两点的电位也不同。
重点提示
在某一有载状态下，电路中两点之间的电压是绝对的，而电路中各点的电位是相对的，参考点不同，电路中各点的电位也不同。
四、汽车电路示例
汽车电路简图如图1-7所示。
图1-7 汽车电路简图
1.汽车电路的电源
汽车电路的电源包括发电机和蓄电池，二者并联向汽车电路提供电能。有的汽车电路在发电机和蓄电池之间还串联了电流表，用以指示蓄电池是处于充电状态还是放电状态。
（1）蓄电池的作用 蓄电池可将其内部的化学能转变电能，在汽车电路中主要用作起动电源，当发动机不工作、负载过大、发电机输出电压很低时，也需要蓄电池供电。
（2）发电机的作用 发电机由发动机驱动，将发动机的机械能转变为电能，是汽车电路的主要电源。当发动机工作时，发电机输出电压要高于蓄电池电压，此时由发电机发出的电能向用电设备供电，并可向蓄电池充电，以使蓄电池及时地恢复在起动发动机时所消耗的化学能。
（3）电流表的作用 当蓄电池向用电设备供电时，电流表指向放电侧，指示蓄电池放电电流的大小；当发电机向蓄电池充电时，电流表指向充电侧，指示充电电流的大小。
当发动机起动后，电流表指示充电电流很小或指示放电，则说明发电机或调节器有故障。
当发动机不工作且用电设备处于关闭状态时，电流表指示放电，则说明用电设备的导线或开关有漏电现象。
（4）调节器的作用 调节器串联在发电机的励磁绕组电路中（接在F与B之间），其作用是根据发电机的端电压来调节发电机励磁绕组的励磁电流，以使发电机输出电压在发动机转速变化时仍然保持稳定。
2.汽车电路的负载
起动机是汽车电路的负载。起动时，接通起动开关，起动机就通电工作，带动发动机转动进而使发动机起动。
其他用电设备包括点火系统、照明系统、信号系统、仪表系统、各种辅助电器、各种电子控制系统等，均为汽车电路的负载，各负载均并联。
3.汽车电路的导线
汽车电路各负载与电源正极之间的电路中通常串联熔断器和开关（或继电器），用于各电路负载工作的手动或自动控制。负载与电源负极之间通过搭铁形成回路。一些安装在不导电物体上的负载则需要通过导线连接电源负极。在汽车电子控制系统中，通常也有专门的搭铁线，用以连接电源负极。
电流表通常在一些载货汽车上装用，在乘用车和其他类型汽车上少有安装电流表，乘用车和其他类型汽车的充电电路是否正常依靠仪表板上的充电指示灯来指示。