概要第一課 電的基本原理

第一課 電的基礎知識

電的基礎知識

目标

完成本課程的學習後，将能夠：

· 了解電的産生

· 懂得導體，絕緣體及半導體的區别

· 認識各種電的計量單位

· 了解歐姆定律及其三個要素:電源、電流、電阻

1. 電子

在現代的汽車上，采用了種類繁多的電氣和電子部件與系統，來确保車輛的正常運行。在許多情況下，電對于發動機、變速器、甚至制動和懸挂系統能否發揮正常功能起着至關重要的作用。對于從事汽車修理業的每個人來說，掌握電的基本工作原理是非常重要的。

電的構成元素

物質、原子和電子

電被定義為"在某個力的作用下，通過某個導體的電子流"。為了更好地理解這個定義，我們需要了解物質的結構。我們周圍的任何事物(固體、液體和氣體)均被認為是物質。物質是由許多不同的原子和原子組合構成的。

而原子則是由質子(攜帶一個正[ ]電荷)、中子(不攜帶電荷)和電子(攜帶一個負[-]電荷)構成的。

位于原子中心的原子核由質子和中子構成。由于質子攜帶正電荷，而中子不帶電荷，因此中子本身也被賦予正電荷。攜帶負電荷的電子沿軌道圍繞原子核旋轉，就像太陽系中的行星沿軌道圍繞太陽旋轉一樣。

同性電荷相斥，異極電荷相吸。由于受正電荷的吸引，負電荷保持沿其軌道旋轉。這種吸引力就如同當兩塊磁鐵的北極(正極)和南極(負極)靠得很近時就會相互吸引一樣。

電子的運動

電子流

1．原子核4．自由電子

2．自由電子5．導體中的原子

3．質子(正電荷)6．電子(負電荷)

一個電子以能夠保持其軌道的速度圍繞中子做旋轉運動。中子吸引力與電子旋轉所産生離心力之間的平衡使每個電子保持着各自的運動軌道(殼層)。殼層外部的電子叫做價電子。價電子遠離中子，且較易脫離運行軌道。如果有一個良好的通路或導體，電子就能夠從一個原子流到另一個原子，這樣就産生了電流。

丢失一個電子的原子被稱為一個正離子。攜帶有一個多餘電子的原子叫做一個負離子。離子在不斷地尋求着平衡-正離子試圖獲得一個電子，而負離子則試圖排斥掉一個電子。這些吸引和排斥所産生的力就形成了被稱為電動勢(EMF)的電壓。EMF的另一個名稱是"伏特"。我們将在随後的章節中對其進行詳細的讨論。電子從一個原子流到另一個原子将産生電流。電子流過一個介質的難易程度取決于該介質的類别；即其是一個導體，還是絕緣體。

導體與絕緣體

絕緣體

殼層外擁有4個以上電子的任何物質都是絕緣體。絕緣體是可以防止或阻止電流的物質。采用該種材料包裹導線可以起到絕緣、保護導線和防止電擊等作用。具有良好絕緣性的物質：

( 塑料

( 玻璃

( 橡膠

( 陶瓷

( 蒸餾水(不過，飲用水中的礦物質會導電)

半導體

殼層外恰好擁有4個電子的任何物質都是半導體。半導體隻有在特定的條件下才導電。安裝在電腦、收音機、電視等使用的印刷電路闆上的元件一般是由半導體制作的。

2. 歐姆定律

電壓

電壓與水塔的比較

電勢位差

電壓是使電流流過一個導體的壓力(電動勢)。電壓的力是由兩個原子間的一個"勢差"而引起的；也就是說，正( )電荷與負(-)電荷之間的數量差造成了這種不平衡的狀态。

可以将電壓與水塔中所形成的水壓做一個比較，來說明這個原理。水塔頂部(相當于12V)與低部或地面(相當于0V)之間的勢差導緻形成水壓。

以單位伏特來計量電壓，通常縮寫為V。絕大多數汽車電路均由車輛電瓶或發電機來提供電源，且通常為12V電氣系統。舊式車輛使用6V系統，而卡車為24V。

如果在電瓶正極接線柱與底盤地線之間，測量電瓶所産生的電壓，你會發現正是由于兩個端子之間勢差，才使電流流過電路，且此種情況下的勢差為12V。

如果沒有電壓以及一個連同地線的完整回路，電流就不可能流動。電壓和電流共同作用産生了電力，進而做功，例如點亮一個燈泡或使一台電機運轉。

電流

電流與水流的比較

1．水流 2．電流 3．負荷

電流是電子從一個原子到下一個原子的流動。以單位安培來計量電流，通常縮寫為A。一個安培表示有6280億個電子在一秒内流過一個固定點。這裡舉一個例子，可以說明電流有多麼強大。如果低于一個安培十分之一的電流流過人體，将會造成嚴重傷害。

以水塔為例，我們可以将電流與從水塔流到水節門的水進行比較。讓我們再回顧一下電壓和電流的定義：電壓是正極端子與負極端子之間的電勢差，電流是電子的實際流動或運動。那麼，水從水塔到地面的實際流動就類似于電流的流動。記住：隻有在電壓(壓力)的作用下，電流才會流動。

直流電流(DC)

當電瓶一個接線柱處的電子過剩時，就會導緻其向缺乏電子的另一個接線柱流動，這樣就會形成直流電流。直流電流隻沿一個方向流動。直流電的一個優點是可以将其儲存在采用電-化學法的電瓶中。

交流電流(AC)

當改變極性(正極或負極)電流來回流動時，即産生交流電流(AC)。交流電流總是在不斷地改變其流動的方向，先沿正極方向流動，然後由沿相反的負極方向流動。這被稱為一個循環。

由于其符合正弦函數的數學特點，因此通常使用一個正弦波來表示一個循環。一個循環就是形成完整波形的過程。使用赫茲(Hz)來計量每秒鐘的循環次數，也被稱做交流電流的頻率。

整流

由于汽車電氣系統使用的是直流電壓，因此必須轉換發電機所産生的交流電壓。整流是将交流電流轉換成直流電流的過程。

為将交流電流整流成直流電流，需要使用被稱做二極管的微型半導體。二極管是一種隻允許電流沿一個方向(正極或負極)流過的電氣元件。在随後的章節中，我們将對二極管進行更為詳細的讨論。

電阻

電阻與水管中阻力的比較

1．水管與電路中的阻力

溫度

溫度對不同的材料有着截然不同的影響。例如，銅和鋼的電阻是随着溫度的升高而增大。當這些材料的溫度升高時，其電子将更加牢固地保持其旋轉軌道；這樣，就使電子從一個原子到另一個原子的流動更加困難。

尺寸

影響電阻的第二個因素是被用作導體的材料的尺寸。較大尺寸的導體意味着可同時流過更多的電子。反之，流過的電子就少。當使用導線作為一個導體時，導線直徑越小，電阻就越大。而當增大導線的直徑時，電阻就會減小。

長度

最後一個因素是導線的長度。增加長度，電阻就會增大。這是因為，電子必須經過更多的原子。電子通過較短的導線時，就會經過較少的原子以及受到較小阻力的影響。

腐蝕

一個電路的腐蝕也對電阻産生一定的影響。腐蝕是由于暴露在諸如鹽、水和污物等物質中所造成的。一旦出現腐蝕，電阻就會增大。

歐姆定律

圖解歐姆定律

電壓、電流和電阻相互間有着某種特定的關系。了解這種關系并能夠将其應用到實際電路中是非常重要的，因為這種關系是全部電氣故障診斷的基礎。

十九世紀的一位科學家，喬治 歐姆發現：需要一個伏特的EMF來推動一個安培的電流通過一個歐姆的電阻。電流與所施加的電壓成正比，而與一個基本電路中的電阻成反比。使用以下公式，可以描述歐姆定律，以說明電壓(E表示電動勢)，電流(I表示強度)和電阻(R)之間的關系。

E=I x R 或 電壓=電流 x 電阻

示意圖顯示了一個具有12V電源、2歐姆電阻和6安培電流的電路。如果改變電阻，電流也會發生相應的變化。

增加電阻的作用

示意圖顯示電阻被增加到了4歐姆。歐姆定律證明電流與電阻成反比。因此，電流降低到3安培。

利用歐姆定律環圖

利用如下所示的歐姆定律環圖是記憶歐姆定律的一種簡易方法。水平線表示"除"，垂直線表示"乘"，遮住你所要确定數值的字母。

如果已知一個給定電路的其中兩個數值，你可以求得另一個未知數值。隻需簡單地代入公式中的電流、電壓和電阻的數值，就可以求得未知數值。

( 例如，要确定：

· 電阻，遮住R。所得到的公式為：E/I(電壓除以 電流=電阻)

· 電壓，遮住E。所得到的公式為：I x R(電流乘以電阻=電壓)

· 電流，遮住I。所得到的公式為：E/R(電壓除以電阻=電流)

了解表示電壓和電流時所使用的不同字母是非常重要的。例如在某些情況下，隻簡單地使用字母"V"來表示電壓。在歐姆定律中，則使用電壓的另一個術語"電動勢"，即字母"E"來表示電壓。此外，可以使用字母"I"，"A"或"C"來表示電流。

增加電阻的作用

圖示中，電阻已被增加到12歐姆。電流降低到1安培。

如果電壓不變，則：

· 電流随電阻的增大而減小。

· 電流随電阻的減小而增大。

如果電阻不變，則：

· 電流随電壓的增大而增大。

· 電流随電壓的減小而減小。

應用歐姆定律

應用歐姆定律的電路示例

應用歐姆定律，解決上圖所示之問題。圖中顯示了在一個電壓和電流分别為12V和3A的電路安裝了一個燈泡。現在，需要确定電阻。你如何來解決這個問題：

( R = E/I

( R = 12V x 3A

( R = 4 (

瓦特

許多電氣裝置都被标定為消耗多少功率，而不是可産生多少功率。通常，采用瓦特來表示功率消耗。

735瓦特 = 1公制馬力

功率、電壓和電流之間的關系可用以下功率公式表示：

P = E x I

換言之，即瓦特等于電壓乘以電流。

例如，如果一個電路的總電流為10安培，電壓為120伏特，則：

P = 120 x10

P = 1200瓦特

在一個電路中，如果電壓或電流增大，則功率也随之增大。額定瓦特的最普通應用可能要算是燈泡了。通常，采用其所消耗的瓦特值來标定燈泡。

電氣測量設備

目标

完成本課程的學習後，将能夠：

· 了解各種測試設備的功能

· 熟練掌握數字萬用表的使用方法

· 了解幾種常用設備的使用注意事項

1. 跨接線、測試燈

準确的測量數據和正确的電路故障分析很大程度上取決幹所用儀表的精确性。一個具有正确讀表和理解讀數能力的維修人員，必須具有以下幾個方面的能力：

1. 選擇合适的儀器及量程。

2. 正确連接測試儀器。

3. 校正測試儀器。

通導性測試筆

導性測試筆或稱自供電試燈用于測試某一電路是否具有完整的支路或是否具有通導性。這種測試筆的手柄内裝有一節幹電池和一個燈泡，它的一端是探針，另一端帶有鳄魚嘴的夾子和導線。将其與某一電路串聯時，幹電池将電流送入整條電路，如果電路是完整的，燈泡就會亮起。這是一種快速檢測工具，但不能代替歐姆表。

與歐姆表一樣，通導性測試筆不應接在一個帶電的電路中，否則，測試筆中的燈泡會被燒壞。

試燈

12伏試燈是用于測量電路中是否存在電壓。它看起來與通導性測試筆很相似，但它沒有内部電池，而且其燈泡為12伏的。當試燈一頭接地，另一頭探針觸到帶電壓的導體時，燈泡就會亮。與通導性測試筆一樣，試燈不能取代電壓表。因為它隻能顯示是否有電壓，但不能顯示電壓的高低。

跨接導線

跨接導線有時可作為故障診斷的輔助工具，可用于跨過某段被懷疑已斷開的導線，而直接向某一部件提供電的通路，也可用于不依賴于電路中的開關或導線而向電路中加上電池電壓。它可配上與通導性測試筆相同的探針和夾子，也可設計為各種特殊形式。

要定期用歐姆表對跨接導線本身進行通導性的測試。導線自身接頭産生的電阻将影響故障診斷的正确性。

測量

測量儀表測量的内容包括：

· 電壓

· 電阻

· 電流

· 電路通導性（電路是否接通）

測量裝置種類

雖然有專門測量電壓、電阻或電流的儀表，但現在所使用的絕大部分儀表都可測量全部這三種數據，被稱為萬用表。電氣儀表又分為指針式和數字式兩種。

2. 萬用表的使用

指針式儀表

指針式儀表利用一個在所測數值相關刻度上擺動的彈簧指針來顯示所測數據。測量數據實際上是與電表内的已知數據相對照，并反映在表盤上。使用者要按所設定的量程，判定并讀出儀表上的示值。

幾種指針式測量儀表：

· 電壓表一用于測量電壓。

· 歐姆表一用于測量電阻。

· 安培表一用于測量電流。

· 萬用表（電壓／電阻／電流）一用于測量電壓、電阻和電流。

注意：在測試時，如果測量儀器提供或抽取過多的電流，可能會造成電路和電子部件的嚴重損壞。測量電子電路必須使用專用儀表。除非測試過程特别要求，所有電子電路的測試都必須使用數字式儀表。

電壓表

電壓表是所有測量儀表中使用最廣的一種。除了測量電路中的電壓，還可以測量電路中兩點間的電壓降。測試時，隻要電壓表并聯于一個具有電壓差的電路中，電流就将流經電壓表，并與表中已知數據相對照，然後将所測數值顯示在儀表盤上。

大部分高質量的儀表是由表内以幹電池為電源的内部電路提供已知數據。如果電池電力不足，就将影響讀數的精确度。因此，要時常檢查表内電池以确保數據的準确性。大部分數字式儀表都有一個電池警告标志，用來顯示電池的電位狀況。

還有一些指針式儀表，用永磁體産生參照，它們也十分精确。這些儀表測試量程檔上沒有"OFF"（關）位置，而是以電壓測試檔起到"OFF"作用。

進行電壓測量時，所測電路必須通電，儀表的探針（表筆）應并聯于所測部件的兩端。

電壓表具有極敏性，它可顯示正電壓或負電壓。數字式電表用"＋"或"－"符号來表示正電壓或負電壓。指針式儀表則需通過交換表筆來取得讀數。

電壓表有幾個供選擇的檔位。各檔的量程不同儀表有所不同。所選擇的量程檔應以得到最精确讀數為準。

一般指針式儀表的量程檔位為：

· ２伏

· ２０伏

· ２００伏

一般數字式儀表的量程檔位為：

· ２００毫伏

· ２０００毫伏

· ２０伏

· ２００伏

· １０００伏ＤＣ

· ７５０伏ＡＣ

歐姆表

歐姆表是歐姆定律的直接表現方式：知道其中兩個已知數，就可知道第三個未知數。施加于某一電路一個已知電壓，将流過的電流與表内存貯數據對照，就可得出電路中的電阻值。

使用歐姆表前，必須将其校準到"０"歐姆的位置，這樣才能得到準确的讀數。每一次變換量程檔都要對其重新校準。否則讀數可能出現誤差。

指針式歐姆表調零時，使兩表筆互相接觸，儀表的指針應移向表盤右側。

精确調整指針零位時，應轉動零點調節旋鈕直到指針與刻度盤上的零點對齊。

數字式歐姆表調零時，同樣使兩表筆互相接觸，如果顯示屏上顯示不為零，則說明表内電池可能電力不足，需要更換電池才能使用。

當測量儀表的兩支表筆沒有碰在一起或沒有與所測電路連接時，表上所示應為無窮大電阻。指針式儀表的指針應停留在刻度盤的最左側，數字式儀表則在顯示屏的最左側顯示"1"或"＋1"。

歐姆表中的各種不同量程檔可用于大範圍電阻值的測試。如果你不知道所測電阻的大約範圍，你應首先選擇較高量程檔，然後再向低量程檔轉換。

典型的量程檔為：

· ２００歐姆

· ２０Ｋ歐姆

· ２００Ｋ歐姆

· ２０００Ｋ歐姆

測量電阻時，要首先确定所測部件沒有電流通過，然後再将儀表與所測元件的兩端連接。同時還要使該部件在電路中與其他部件分開。進行測量時，表内的電池向所測部件提供電壓，使電流通過該部件，儀表利用内部已知數據比較與所流經的電流進行比較，這樣，該部件的電阻也就顯示在儀表上了。

注意：絕對不要将歐姆表接在帶電的電路中。否則電路中的電流會立刻損壞儀表中的線圈。某些儀表内裝有保險來保護儀表。

安培表

安培表用于測量流過某一電路的電流量。有兩種安培表常用于汽車故障診斷，即内分流式安培表和感應式安培表。内分流式安培表用于小電流的測量，測量時串聯于所測電路之内。一般來講，這種儀表隻能承受10安培或更小的電流。萬用表也屬内分流式安培表。感應式安培表用于較大電流量的測量，如起動和充電系統的測試。

内分流式安培表必須與所測電路串聯，絕不能與所測部件并聯。否則将使原應流經部件的電流繞過該部件直接流入儀表，過高的電流會燒壞儀表和電路。

當安培表與所測電路串聯時，電流将通過表内的一個固定電阻。另外一條電阻較高的電路與上述電阻并聯，電流的大小就通過該電路顯示在儀表上。這類安培表對于小電流量的測量十分精确，特别是測量電子電路。這種内分流式安培表和萬用表的最大讀數一般是10安培。

感應式安培表使用三條接線來獲得流經電路的電流。兩根帶有夾子的粗線連接電池的正負極，為儀表提供電源，第三根線的夾子上帶有一個鐵芯、測量時将鐵芯夾在被測的導體上。當電流通過導體時，鐵芯周圍的磁力線在夾子的鐵芯中産生感應電流，感應電流顯示在儀表表盤刻度上。這類儀表不應用于小電流量的測量，因為它不是用來精确測量低于10安培電流的儀器。

串聯電路的測量

電阻

串聯電路中的電阻是累加的。将所有電阻加起來。就可知道電路中的總電阻。上圖中：

Rt（總電阻）=R1 R2 R3

Rt=1.0( 2.5( 2.5(

Rt=6.0(

電流

在串聯電路中，相同的電流要通過電路上的所有負載。就是說，如果測量串聯電路的電流，則任何測點測出的電流都一樣。電流的大小可由歐姆定律得出，電流是電路中電壓和電阻的函數。

串聯電路中的電流值由電壓除以電阻得出，上圖中：

I=E/Rt

I=12V/6.0(=2.0A

電壓

在串聯電路中，當電流流過的電阻（負載）越多，電壓就降得越低。

并聯電路的測量

電阻

在并聯電路中，總電阻小于最小電阻。你可使用虛拟電壓法來決定并聯電路中的總電阻。

虛拟電壓法

第一步——為電路設定一個虛拟電壓

第二步——決定流經每一負載的電流

第三步——将流過每一負載的電流加起來，從而計算出總電流值

第四步——用虛拟電壓除以總電流值就可得出總電阻值

第一步——設電壓=12V

第二步——流經R1的電流：I1=E/R1=12V/6(=2A

流經Ｒ2的電流：I2=E/R2=12V/4(=3A

流經Ｒ3的電流：I3=E/R3=12V/2(=6A

第三步——2A 3A 6A=11A

第四步——RT=E/I=12V/11A=1.09(

電流

在并聯電路中的電流是各支路電阻和電路總電阻的函數。我們可以把每一支路看成是獨立的且具有其總電阻和電流的串聯電路。如果每一支路中的電阻不同，其電流也将不同。

· I=E/R=12V/6(=2A（支路1）

· I=E/R=12V/4(=3A（支路2）

· I=E/R=12V/2(=6A（支路3）

用系統中的總電阻可求出電路中的總電流。

總電流:I=E/R=12A/1.09(=11.0A

電壓

并聯電路中，各支路的電壓均等于電源電壓。

數字表

數字萬用表(DMM)在許多方面都優于絕大多數型号的模拟表，其中最主要的方面是它更準确。

影響模拟表精确度的因素不單是内部電路, 指針也會因從不同的角度觀察儀表而指在不同的位置。 而數字式的卻不必因此為讀數不準而擔心。

當數字萬用表的正導線帶電而負導線接地時,它即在讀數前顯示一個" "符号。 如果兩極導線相反, 讀數前将會出現"-"符号, 以示相反極性。 J39200 Fluke 87數字萬用表沒有極性感應, 其正極導線可接地, 而負極導線與電源相接時并不損壞電路或儀表。

數字萬用表(DMM)有一個測試值的電子數字讀出裝置。 數字萬用表具有使測試精确的電子電路, 其準确度超過0.1%, 遠遠超過模拟表。 數字萬用表已日益普遍用于電氣診斷和檢測, 尤其是電氣系統的檢測。

長安福特使用至少10兆歐輸入阻抗的數字萬用表。 萬用表隻有用于電壓檔時,輸入阻抗對它才适用，也就是說用10兆歐電阻的萬用表檢測可防止被測電路負載下降。 換言之, 對汽車電路而言, 這樣高的電阻既可對電路上某些敏感的元件進行測試又可做到不損壞和改變它們的電路。

附表，Fluke87數字萬用表

筆記：示波器使用

筆記：數字萬用表的使用

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一個原子的構造

1．原子核(質子和中子)

2．電子軌道

3．電子

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吸引與排斥概念

1．相異吸引

2．相同排斥

1-3個電子

位于外環

5-8個電子

位于外環

4個電子

位于外環

導體

半導體

絕緣體

以範圍模式顯示的DC

1．伏特

2．時間

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以波形顯示的AC

1．伏特

2．時間

3．循環

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歐姆定律環圖(E=I x R)

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歐姆定律環圖(E=I x R)

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功率公式

---注意---

阻抗是電流通過儀表的一條導線到另一條導線的電阻。 輸入阻抗大時産生的靈敏度也高, 并能避免儀表影響被測試的電路。 電阻單位為歐姆。 阻抗和電阻都是"對電流的阻抗"。

讀數保持

相對零值

通路蜂鳴及最大/最小峰值

模拟顯示

(模拟針)

模拟顯示

刻度

共同輸入

毫安/微安輸入

安培輸入

數字顯示(易讀)

頻率/工作循環

功能置換鍵

顯示後燈

(僅87型)

手動量程

最大/最小記錄

功能選擇旋鈕

伏特/歐姆二極管輸入

功能選擇旋鈕上的功

能符号

= 交流伏特

= 直流伏特

= 直流毫伏

= 蜂鳴器

= 歐姆(電阻)�

= 微法電容

= 直流毫安

= 直流安培

= 微安

= 交流安培�

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4維修培訓

電氣系統1