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第１章电的基本知124335１.１概述１.２电的基本概念１.３电源的联接１.４电阻的联接１.５电容器下一页返回第一章国际贸易概述6793810１.６电功率１.７电路的基本定律和原理１.８戴维南定理１.９惠斯登电桥１.１０电磁理论上一页返回第一章国际贸易概述1112313１.１１电磁干扰的抑制１.１２电气与电子技术的新发展１.１３小结上一页返回１.１概述电学是一门研究电的自然规律及其应用的科学。电能不但在工业、农业、国防、科学技术等方面广泛应用，而且在人们的日常生活中应用也日趋广泛。掌握电路的基础知识和基本技能，就能更好地运用电能和对机电一体化设备的电气系统故障进行分析、诊断、排除、处理。当今汽车中使用的电气系统是非常复杂的（如图１－１所示），出现的故障也是多种多样的。然而，应用电路的基础知识和基本原理就可以简化并诊断电气故障问题。在本章，将学习电路的基本知识和基本原理，由于磁和电是紧密联系的，本章也介绍电磁感应的原理。返回１.２电的基本概念１.２.１电场两个物体间的相互作用，有两种情况：一种是由于直接接触而产生，另一种是通过别的物质做媒介产生，二者必居其一。两个电荷发生相互作用时，并没有直接接触，因此，它们间的相互作用一定是通过别的物质做媒介而发生的，这个特殊物质就是电场。电荷和它周围的电场是一个统一的整体。电荷的周围存在着电场。静止电荷所产生的电场，叫做静电场。电场具有两种重要特点：（１）位于电场中的任何带电体都会受到电场的作用力。（２）带电体在电场中受电场力移动时，电场要做功，这表明电场具有能量。１.２.２电流下一页返回１.２电的基本概念水往一定方向流动，称为水流。同理，电荷在电场力的作用下定向移动就形成电流。电流强度是衡量电流大小的物理量，电流的大小取决于一定时间内通过导体截面的电荷量的多少，并规定正电荷移动的方向为电流强度的方向。直流电，指大小和方向不随时间而变的电流，例如，干电池、蓄电池和直流发电机所产生的电流。交流电，指大小和方向都随着时间变化的电流，例如，交流发电机发出的电流是交流电。电流强度的单位是安培，简称“安”，常用“Ａ”表示。对于较小电流称为“毫安”，常用“ｍＡ”表示。电流强度有时又简称为电流。１.２.３电压上一页下一页返回１.２电的基本概念电压是正电荷和负电荷间的吸引力，当电路中某点有大量的电子而电路的另一点缺少电子时，造成了一个电动势差。在汽车中，蓄电池或发电机用于产生电压。电压的高低用伏特数表示。如果一个伏特计跨接汽车蓄电池终端，它可指示出１２.６Ｖ，这实际指示有１２.６Ｖ的电位差，在两个蓄电池终端间有１２.６Ｖ电压。在图１－２中，Ａ点到Ｃ点间以及Ｂ点和Ｃ点间的电压电位是１２.６Ｖ，Ａ点和Ｂ点间电位差是０，并且伏特计指示０Ｖ。从常识可知，水管里水流的形成，如果只有水是不行的，还必须有水位的不同或水压的作用。上一页下一页返回１.２电的基本概念同样原理，导体里电流的形成只靠导体中的自由电子是不行的，还必须有电位的不同或电的压力（即电场力）的作用。这实际上是电场力推动电荷定向运动，克服导体或负载的阻力而做的功，衡量电场力做功的物理量是电位和电压。（１）电位电路中某点的电位是指电场力将单位正电荷从该点移动到参考点（零电位点）所做的功。如图１－３所示电位的高低与参考点的选择有关，电路中电位参考点选择不同，各点电位的数值也将不同，正如我们测量山的高度一样。选择基准点不同，各点电位的数值也将不同，电位的参考点就是假定电位为零的一点，它是可以任意选择的，在电学里常以电气设备外壳作为零电位的点，电位的概念很重要，在分析电子电路时要经常用到。上一页下一页返回１.２电的基本概念（２）电压促使物体内自由电子定向流动的作用力，称为电压。电路中某两点间的电压，就是某两点间的电位差。它实际上是电场力将单位正电荷从某点移动到另一点所做的功。电压的单位是“伏特”，常用字母“Ｖ”表示。１Ｖ的电压可使电阻为１Ω的导线中通过１Ａ的电流。电压的方向规定为电位降低的方向，即从高电位指向低电位点，因为电压是电位之差，所以电路中某两点间的电压大小，只跟该两点的位置有关，而与参考点的选择无关。为使电路中有持续不断的电流通过，就必须在它的两端保持一定的电压。上一页下一页返回１.２电的基本概念１.２.４电源能够使电路中持续电流不断通过，需要有干电池、蓄电池、发电机等来提供电能，我们把化学能、机械能等非电能转换成电能的装置，称为电源。如图１－４所示是一个简化了的电源示意图，虚线内是电源，Ａ是电源的正极，Ｂ是电源的负极，Ｒ是用电电器。电源外部的电路叫做外电路，电源内部的电路叫做内电路。上一页下一页返回１.２电的基本概念１.２.５电动势电动势是指在电源内部产生推动电子流动的力量，常用字母Ｅ表示，电场力从电源的正极将正电荷通过负载移到电源的负极，这样正极的正电荷就会不断地和负极上负电荷中和，使电场减弱以至消失，但由于电路中电源的作用，又把正电荷从负极搬到了正极，保持了电源正、负极之间的电位差（电压）即保持了电场在电路中的作用。那么，电源内部是靠什么力把正电荷从负极移向正极的呢？因为正电荷逆着电场方向移送的，显然不可能是电场力，因此我们把这种力叫做非静电力，不同电源的非静电力来源是不同的，如干电池、蓄电池的非静电力来自化学作用，发电机的非静电力来自电磁作用。上一页下一页返回１.２电的基本概念在具体电路中，电动势的作用是把已从电源的正极经灯泡移动到电源负极（电场力的作用）的正电荷，从电源的负极经电源的内部移动到电源的正极去以保持电源两端的电压，使电路有连续不断的电流流通，如水路中的水泵把水从低处不断送到高处，以保水压，使水流不断。电动势是电源力移动单位正电荷所做的功，其作用方向与电场力相反，所以电动势的方向规定为沿电源内部从低电位点（负极）指向高电位点（正极），即表示电位升高的方向。在图１－３所示电路中，开关Ｋ接通时整个电路的物理过程是：上一页下一页返回１.２电的基本概念在电源内部（内电路）电源力克服电场力把正电荷从低电位的负极推到高电位的正极而做功，即把非电能转换为电能，在电源外部（外电路）电场力克服负载（这里指灯泡）的阻力把正电荷从高电位移动到低电位而做功，即把电能转换为非电能（这里指光能和热能）。只有当电路中有电流流动时才能实现能量的传输和转换。１.２.６电阻导体对电流起阻碍作用的能力称为电阻，任何导体都有电阻，电阻用Ｒ表示。电阻的单位为欧姆，用Ω表示，导体的电阻取决于导体材料的物理性质、几何尺寸和导体的温度等因素。在金属材料中铜和铝的电阻率较小，是最好的导电材料，应用广泛；上一页下一页返回１.２电的基本概念而绝缘体材料中的云母、电木、绝缘纸、橡胶、塑料、瓷等电阻率最大，应用于绝缘电的材料。导体的电阻与其长度成正比，与其横截面积成反比。利用不同电阻率材料制成不同规格的电阻器，利用电阻器可以调节电路中的电流和电压。一个完整的电路由如下部分组成：①电源；②负载；③控制开关；④连接导线。电路中的任何工作设备都有电阻，例如灯泡、电动机、继电器、线圈或其他负载元件等。在电路中可能存在不必要的电阻，这可能存在于被腐蚀的连线或断开的导体中。不必要的电阻会造成负载元件运行效率降低或者根本不能工作。电阻对电路的影响有：①当电流经过电阻时电压始终降低；②电阻的增加造成电流的降低；③所有电阻在某种程度上将电能转换成热能。上一页返回１.３电源的联接在实际工作中，单个电源的电动势和额定电流有时不能满足工作需要，这时，可将单个电池连接起来，得到不同的效果，连接的方法有串联、并联、混联三种方法。１.３.１电源的串联将甲电池的正极接到乙电池的负极，将乙电池的正极接丙电池的负极，依此类推将几个电池的异极联接起来，最后两端各留一极，这就是电源的串联。电池串联后总电动势（或电压）等于各单个电池的电动势（或电压）的总和。如图１－５所示。下一页返回１.３电源的联接如要想获得较高电压时，可将几只电池串联成一电池组，不过有一个前提条件，那就是串联的每个电池的电压必须是相等的，例如６Ｖ和１２Ｖ，要么全是６Ｖ、要么全是１２Ｖ，不能是一个是６Ｖ、一个是１２Ｖ混合。电源串联后，电压会增高。１.３.２电源的并联若把几个电池的正极与正极相接、负极与负极相接，这种同极联接的方法，称为电源的并联。如图１－６所示。电池并联后，电动势或电压不变，即总电动势或电压等于各单个电池的电动势或电压，总电流等于各单个电池供给电流之和，因此，如需要较大电流时，可将几个单电池并联起来以获得较大的电流。上一页下一页返回１.３电源的联接但应注意两个电源的电动势不同时，不能进行并联，如１２Ｖ的电池不能和６Ｖ的电池并联，否则在两个电源之间构成的回路中将会产生很大的电流，使电源设备损坏。１.３.３电源的混联将几只电池串联起来成为一组，然后再将几个同样的串联电池组并联起来，这样的联接方法叫做混联。电池混联适用于负载的工作电压和电流都超过了单个电池的额定值的情况，电池混联后总电动势加大了，总额定电流也加大了。混合联接如图１－７所示。上一页返回１.４电阻的联接１.４.１电阻的串联把几个电阻首尾依次成串的联接起来，中间没有分岔，使电流只有一个通路，这样的联接方法叫做电阻的串联，如图１－８所示。电阻串联后，有如下特征：（１）在串联电路中流过各电阻的电流相同；（２）在串联电路中总电压等于各部分的电压之和；（３）总电阻增大，总电阻等于各个电阻之和；（４）串联电阻可以用一个等效电阻来代替，等效电阻等于各串联电阻之和。下一页返回１.４电阻的联接电阻串联的应用较为广泛，例如两盏相同的１１０Ｖ的灯泡可以串联起来接到２２０Ｖ的电源上使用，当负载的额定电压低于电源电压时，可以串联一个电阻，降低一部分电压，以满足负载接入电源使用的需要，在必要时可以利用串联电阻的方法调节或限制电路中的电流。另外在电工测量中还广泛使用串联电阻的方法来扩大电表的电压量程。１.４.２电阻的并联将几个电阻的首端和尾端分别连接在两个节点之间使电流有几个通路，每个电阻承受同一个电压，这样的联接方法叫电阻的并联。如图１－９所示。电阻并联后，有如下特征：（１）总电阻减小，总电阻的倒数等于各个电阻倒数的总和；（２）几个电阻并联，各电阻两端所承受的电压相同；上一页下一页返回１.４电阻的联接（３）并联电路中的总电流等于各支路电流之和。负载一般都有一定的额定电压，当负载并联运行时，它们处于同一电压之下，任何负载的工作情况不受其他负载的影响，这是负载并联的一个显著优点。１.４.３电阻的混联电路中的电阻除了串联和并联外，有时还出现有串联又有并联的情况，这叫做电阻的混联，如图１－１０所示。图中Ｒ２与Ｒ３是串联的，串联后又与Ｒ４并联，最后再与Ｒ１串联，在计算混联电路的总电阻时，可以采用电阻逐步合并的办法，可以先计算Ｒ２和Ｒ３的串联电阻，然后再与Ｒ４并联计算，最后将求得的并联电阻与Ｒ１串联，计算出该电路的总电阻。上一页返回１.５电容器任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）就构成一个电容器。电容器是一种储存电荷和电能的器件。电容（或电容量）指的是在给定电压下储存的电荷量，记为Ｃ，国际单位是法拉（Ｆ）。工程技术上还用微法（μＦ）、纳法（ｎＦ）和皮法（ｐＦ）等单位。１法拉（Ｆ）＝１０６微法（μＦ）＝１０９纳法（ｎＦ）＝１０１２皮法（ｐＦ）。电容器有时简称为电容，在电路中用字母Ｃ表示。在实际使用电容器时，有时会遇到电容器的电容不够或耐压能力不够的问题，这就需要把几个电容器连接起来使用。电容器的耐压能力是指电容器正常工作时承受电压的能力。一般来讲，电容器的击穿电压高，它的耐压能力也就大。电容器连接的基本方法有串联和并联两种。下一页返回１.５电容器１.５.１电容器的串联把几个电容器的电极首尾相接，连成一串，这就是电容器的串联。图１－１１所示是电容分别为Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３的三个电容器的串联。当电路两端加电压Ｕ后，电容两极板带的电量分别为＋Ｑ和－Ｑ，由于静电感应，中间各极板所带的电量也等于＋