汽车电工与电子基础(第三版)-课件全套教学教程整套课件全书电子教案.ppt

单元 1 直流电路汽车电工与电子基础汽车电工与电子基础电路的基本概念电路的基本物理量串联电路与并联电路欧姆定律1.11.21.31.4基尔霍夫定律电容器及其充放电直流电桥1.51.61.7电路的基本概念1.1电路电源用电器导线开关1.1.1 电路的组成电路图是用国家统一规定的电器元件或设备的符号来表示电路连接情况的图。如图 11b）就是表示图 11a）的实际电路的电路图。1.1.2 电路图1）低压直流供电2）单线制3）负极搭铁4）用电设备并联5）导线有颜色和编号特征1.1.3 汽车电路的特点电路的基本物理量1.2将良导体制成电线，一端连接于蓄电池的负极（产生负电荷电子的一端），另一端连接于蓄电池的正极（缺少负电荷电子的一端）。在同性相斥，异性相吸的作用下，导线内的自由电子便受到负极的排斥，正极的吸引，而由负极往正极方向移动。此自由电子的流动便形成了“电子流”，如图 12 所示。1.2.1 电流以+-表示电流的方向，而将 -+定为电子流的方向（图 13）。1.2.1 电流电流的强弱用电流强度来表示，其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。设在 dt 时间内通过导体某一横截面的电荷量为 dq，则通过该截面的电流强度为：电流的计量单位是安培（Ampere），简称 A，1 安培定义为每一秒有1 库仑的电量流过。在实际电路中，电流常以毫安培（mA）来表示，1A 等于 1000mA。1.2.1 电流电压电位差电压降电压的计量单位为伏特（Vol）t，简称 V。1 安培电流流过 1 欧姆电阻所需的压力为 1伏特。电压的符号，在直流电源中以大写的 U 表示，在交流电源中则以小写的 u 表示。1.2.2 电压电阻阻抗电阻的单位为欧姆，用符号 表示。1 欧姆定义为当具有1 伏特电位差的导体两端，能够产生 1 安培电流时的阻力。1.2.3 电阻任何电路中的电阻大小由下列 5 个因素所决定：（1）材料的原子结构：导体材料的自由电子数目越少，电阻越大。（2）导体的长度：导体越长，电阻也越大。（3）导体的直径：导体截面积越小，其电阻越大。（4）温度：一般来说，金属材质导体的温度升高时，电阻也随之增大。（5）导体的物理状况：如果导体出现腐蚀、断裂等毁损状况时，电阻就会增加。这是由于导体的截面积变小的缘故。另外，触点松动也会使线路电阻增大。1.2.3 电阻电阻器可以说是电子电路中最基本且重要的电子元件。电阻器一般简称为电阻，其用途不外乎下列 3 种：作为负载。控制电流量。作为感测元件，提供电控单元系统变化信号。电阻器的图形符号如图 14 所示。1.2.3 电阻电阻器符号的种类繁多，若依工作性质可分成固定电阻、可变电阻及特殊用电阻等三大类。可变电阻器可用来调整电动机的转速，如图15 所示。1.2.3 电阻汽车上的可变电阻根据接线和作用的不同又分为变阻器与电位计两种，如图16 所示。1.2.3 电阻图 17 所示为各种电阻器。1.2.3 电阻利用先进的制造技术，如真空蒸发法、溅射法，将导电物质或半导体物质于高真空中蒸发，喷涂在陶瓷棒表面形成很薄的金属薄膜，再覆以塑胶保护绝缘就可制成同轴圆筒形金属膜电阻器，如图 18 所示。1.2.3 电阻目前，随着电子产品轻量化需求的增加，除了传统的圆筒形电阻器之外，芯片电阻、网络状的集成电阻器也越来越多。厚膜式产品已渐渐取代传统导线型产品，如图19 所示。1.2.3 电阻电功率是指电在单位时间内做功的能力。常用的计量单位为瓦特（Watt），简称 W，1W定义为每一秒可产生1 焦耳（Joule）功的电力。1W 等于1000mW。电功率以符号 P 代表。电路中的电功率值可以由电压乘上电流得出，即 P=UI。若代入欧姆定律，则：1.2.4 电功率瓦特除了作为电功率的度量单位之外，也常作为机械功率的单位，这是因为电功率也可转换为机械功率。机械功率的英制马力（hp）和米制马力（PS）转换成电功率分别为：1hp=745.700W1PS=735.499W1.2.4 电功率串联电路与并联电路1.3电流从电源正极流出后，流经负载并回到电源的负极，而完成一个回路，如图 110 所示。1.3 串联电路与并联电路（1）断路（2）短路1.3 串联电路与并联电路串联1.3.1 串联电路串联电路可以说是最简单的电路形式，电路中流过所有负载元件的电流的大小均相等，如图 115 所示。1.3.1 串联电路如图116 所示，电源电压为 U，电路中分别串联 R1、R2 及 R3 电阻，U1、U2 及 U3分别为3 个电阻的电压降，而 I1、I2、I3 则分别为流经3 个电阻上的电流值。由式（13）看出，电源电压 U 被 R1、R2、R3 所分担，由此可见，串联电路具有分压作用。1.3.1 串联电路并联的电路电流流入之后，便流向各个分路，然后再汇集流出。1.3.2 并联电路以上述观点来看图 118 的 3 个电感器，便可轻易分辨其并联的关系。1.3.2 并联电路再看图 119 的串并联电路，其中有 4 个电阻：R1、R2、R3 及 R4，其中 R1 与R4 为串联，R2 与 R3 为串联，然后两组电阻再发生并联关系，如图 119b）所示的等效电路。1.3.2 并联电路在并联电路中，所有分路上的负载元件都具有相同的端点电压，但电流大小则视负载电阻大小而不相同，如图 120 所示。1.3.2 并联电路并联电路具有下列特性：（1）并联电路中，不论负载大小，各个负载两端的电压都相等。（2）并联电路中，任一分路负载断路，都会影响其他负载上原本流过的电流。（3）并联电路负载连接越多，对总电流而言，其流通的面积将增大，因此，当并联越多负载时，其总电阻将越小，电路电流越大。并联后的总电阻为各负载电阻倒数和的倒数，即：（4）并联电路中，各分路的电流视其电阻大小而定：电阻越小，流过电流越大；反之，电阻越大，则流过电流越小。电阻大到无限大（）即视同断路；电阻小到零时则视同短路。1.3.2 并联电路并联电路的电流、电阻及电压关系分别如下：如图 121 所示，设电源电压为 U，电路中分别并联 R1、R2 及 R3 电阻，I 为总电流，I1、I2、I3 分别为流经 R1、R2、R3 的电流，U1、U2 及 U3 则分别为 3 个电阻的电压降。由式（16）看出，电路总电流被各支路电阻分担，可见，并联电阻具有分流作用。1.3.2 并联电路在并联电路中，如果每个分路负载电阻都相同，如图 122 所示，则可利用下列公式算出总电阻 R：1.3.2 并联电路若并联电路中只有两条分路，如图123 所示，则可利用式（18）计算出总电阻 R：1.3.2 并联电路混合电路是将串联电路与并联电路混合而成，故又称串并联电路。图 124 所示为两种基本的混合电路。在图 124a）中，欲求其等效电阻，只要先以并联电路公式算出 R2 和 R3 的总电阻后，再和 R1 及 R4 串联即可。而在图 124b）中，等效电阻的算法，则需先将 R1 和 R2，R3 和 R4 分别相加后，再用并联公式计算。1.3.3 混合电路欧姆定律1.4所谓欧姆定律是指电路中的电流大小，与所加的电压成正比，而与电路的电阻成反比，其数学式为：1.4 欧姆定律欧姆定律是电子学最基本的定律，它说明了电+-路中电流与电阻之间的反比关系。以图 125 为例，I 当电压固定不变时，则电路的电阻越大，其所流过的电流就越小；而当电阻值固定不变时，电路的电压越大，则电流也越大。1.4 欧姆定律在图 126 中，由于电阻增加，电流减少，因此灯泡将变得不太亮。利用欧姆定律还可以解释关于电压降现象。1.4 欧姆定律以图 127 来说明负载上电压降的意义。1.4 欧姆定律基尔霍夫定律1.5基尔霍夫定律包括：基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律。（1）节点（2）环路（3）电压升（4）电压降1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫电压定律指出：在电路中所有电压降的总和等于电源电压。下面以图 130 为例来说明，在电路的封闭回路中，一定方向下电压的升高，必相等于沿此方向的电压降。基尔霍夫电压定律的公式为：1.5.1 基尔霍夫电压定律基尔霍夫电流定律指出：流入电路中任何一个节点的电流和必等于流出该节点的电流和。以图 131 为例说明，节点 a 上有 3 股电流流过，分别为 I1、I2 及 I3。由基尔霍夫电流定律，可知，流入节点 a 的电流 I1 必等于流出电流 I2 和 I3，即：1.5.2 基尔霍夫电流定律电容是指两片导体间所具有储存电量的能力。电容器在电路中具有三种基本功能：（1）充电：储存电能。（2）放电。（3）控制电路：如滤波、耦合电路。1.6 电容器及其充放电电容器由两块分开的导电板（金属箔）构成，在两板片之间加入不易导电的绝缘材料，称作介电物质或介电层，如图 133 所示。1.6 电容器及其充放电将金属箔与介电层一起卷成筒状，再封入金属壳内，引出导线，即可制成传统圆筒型电容器，如图 134 所示。1.6 电容器及其充放电电容器的作用是根据电荷异性相吸以及不同极板间具有电位差的原理而制成的，如图 135 所示。（1）充电（2）放电1.6 电容器及其充放电电容器按照极板间的介电物质（绝缘材料）种类不同可分为陶瓷、玻璃、纸质、塑料以及电解质等电容器，还有空气电容器（图 136）。1.6 电容器及其充放电电解电容器的极性若接错就会破坏介电物质薄层，损坏电容器，如图 137 所示。电容器的单位为法拉，简写作 F，1 法拉定义为当将电容器充以 1 伏特电压时，极板间储存满 1 库仑的电量。电容量常用的单位为微法拉（F），1F=106F。1.6 电容器及其充放电影响电容量大小的因素有 3 个：（1）极板面积：正负极板面积越大，则电容量也越大。（2）两板间的距离：距离越小，电容量越大。（3）介电物质的材料：绝缘性越好，则电容量也越大。1.6 电容器及其充放电电容器在电子电路中的重要性不仅只是储存电能或放出电能，电容器所具有的容抗也是一项实用的特性。容抗以 Xc 代表，Xc 的大小与所加电压的频率成反比1.6 电容器及其充放电如图 138 所示，对电路输入含有交流成分的直流信号（脉动直流）时，由于 Xc 与频率成反比，所以电容器 C 对直流（f=0）输入信号所呈现的容抗值 Xc 趋近无限大，线路可视为断路（开路），因此，直流信号被阻挡，而只输出交流成分。这就是电容器的“耦合作用”，一般对直流电有阻止流动的效果。1.6 电容器及其充放电如图 139 所示，在电路中并联电容器，当输入相同的脉动直流时，由于电容器对交流（脉冲）信号，特别是高频信号（f 0），所呈现的容抗值 Xc 很小，因此，当交流信号通过电容器，输出的就只有直流信号，此即电容器的滤波作用。在此电路中，若电容器的电容量太小或是交流成分的频率太低时，输出信号仍会含有原来的交流成分。1.6 电容器及其充放电直流电桥1.7图 140 所示为电桥电路，它是测量技术中常用的一种电路。电桥由四臂、检流计及电源等构成。其中 R2、R3、R4 为标准电阻，RX 为敏感元件，放在需要测量的地方；G 为检流计，当 G 中无电流时，电桥处于平衡状态，其平衡条件可通过理论推导得出RX 受外界影响时电阻值改变，电桥平衡打破，G 中有电流。1.7 直流电桥图 141 所示为汽车电子控制汽油喷射系统主要装置热线式空气流量计，其电桥如图 142 所示。1.7 直流电桥图 142 所示为热线式空气流量计工作原理，图中热线（铂）电阻 RH 和温度补偿电阻 RK 分别是电桥的一个臂，精密电阻是 RA 也是电桥的一个臂，该电阻上的电压即是热线式空气流量计的输出信号电压，另一个臂 RB 安装在控制电路板面上。1.7 直流电桥 谢谢观看！单元 2 交流电路汽车电工与电子基础汽车电工与电子基础交流电与交流电路正弦交流电的基本概念电阻、电感、电容器的交流电路2.12.22.3交流电与交流电路2.1大小和方向都随时间作周期变化的电动势、电压和电流统称为交流电。最常用的交流电是正弦交流电。正弦交流电是随时间按正弦规律变化的，而非正弦交流电则不按正弦规律变化，分别如图 21c）、d）所示。图 21a）为恒定直流电，图 21b）为脉动直流电。2.1.1 交流电在交流电作用下的电路称为交流电路。所谓正弦交流电路，就是指含有正弦交流电源，其电压和电流均随时间按正弦规律变化的电路。在交流电路中，主要有三种不同性质的负载元件：电阻、电感和电容。电阻电感电容2.1.2 交流电路正弦交流电的基本概念2.2周期：正弦交流电每重复一次变化所需要的时间称为周期，用字母 T 表示，单位是秒（s），如图 22 所示。2.2.1 正弦交流电的周期、频率和角频率频率：正弦交流电在 1s 内重复变化的次数称为频率，用字母f表示，单位是赫兹（Hz）如果交流电在 1s 内变化了一次，我们就称该交流电的频率是 1Hz。比赫兹大的常用单位是千赫（kHz）和兆赫（MHz）。其换算关系如下：1kHz=103Hz 1MHz=106Hz根据周期和频率的定义可知，周期和频率互为倒数，即：我国工业及民用交流电频率为 50Hz，习惯上称为工频，其周期为 0.02s。日本等国家的交流电用电的频率为 60Hz。2.2.1 正弦交流电的周期、频率和角频率角频率：正弦交流电在1s 内变化的电角度（或相角、相位）称为角频率，用字母 表示，单位是弧度/秒（rad/s）。如果交流电在 1s 内变化了1 次，则电角度正好变化了2 弧度，也就是说该交流电的角频率=2 rad/s。若交流电1s 内变化了 f 次，则可得角频率与频率的关系式为：2.2.1 正弦交流电的周期、频率和角频率瞬时值：正弦交流电随时间按正弦规律变化，任意时刻正弦交流量的大小均有对应的值，我们把正弦交流电在任意时刻的数值称为瞬时值，正弦电动势、电压、电流的瞬时值分别用字母 e、u、i 表示。瞬时值可以是正值、负值，甚至是零。正弦交流电压的瞬时值表达式为：2.2.2 正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值最大值：正弦交流电最大的瞬时值称为最大值（或峰值、振幅）。正弦交流电动势、电压和电流的最大值分别用 Em、Um、Im 来表示。最大值虽然有正有负，但习惯上最大值都以绝对值表示。2.2.2 正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值有效值：正弦交流量的有效值是根据交流电流和直流电流热效应相等的原则而确定的，即让交流电和直流电分别通过阻值完全相同的电阻，若在相同的时间内直流电流和交流电流在两个电阻上产生的热效应相等，则将此直流电数值定义为该交流电的有效值。交流电流、电压和电动势有效值的符号分别是 I、U 和 E。2.2.2 正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值可以证明，正弦交流电的有效值和最大值之间有以下关系：2.2.2 正弦交流电的瞬时值、最大值和有效值相位：正弦交流电随时间按正弦规律变化，正弦量任意时刻所对应的电角度称为该正弦量的相位角，简称相位，其单位为度或弧度。电压瞬时值表达式中的（t+）就是反映正弦交流电压在变化过程中任意时刻所对应的电角度，它随着时间而变化，通常把它称为相位角，又称相位或相角。2.2.3 正弦交流电的相位、初相位和相位差初相位：在 t=0 时，正弦交流量所对应的相位称为该正弦量的初相位，简称初相。初相反映了正弦交流电计时起点的状态。在正弦量的解析式中，通常规定初相大于-180，小于或等于 180。在此规定下，初相为正角时，正弦量对应的初始数值一定为正值；初相为负角时，正弦量对应的初始数值一定为负值。2.2.3 正弦交流电的相位、初相位和相位差在波形图上表示初相角时，横坐标常以弧度（rad）或度（）为单位，取曲线由负值变为正值的零点（取离坐标原点最近的零点）与坐标原点间的角度为初相角，在坐标原点左侧的初相角为正值，在右侧的为负值。如图 23 中的 1 为正，2 为负。2.2.3 正弦交流电的相位、初相位和相位差相位差：为了比较两个同频率正弦交流电在变化过程中的相位关系和先后顺序，我们引入相位差的概念。所谓相位差，就是两个同频率正弦交流电的相位之差，用字母 表示。设 i1 的相位为（t+1），i2 的相位为（t+2），则两者的相位差为：2.2.3 正弦交流电的相位、初相位和相位差式（25）表明，同频率正弦交流电的相位差，实质上就是它们的初相角之差，与时间无关。如果 0，i 1比 i 2先达到最大值，则称 i 1超前 i 2，或 i 2滞后 i 1；如图 23 所示，若=0，即两者的初相角相等，则称它们同相，如图 24a）所示；若=180，即它们的初相角相差 180，则称它们的相位相反，简称反相，如图 24b）所示。2.2.3 正弦交流电的相位、初相位和相位差从波形图上观察两个正弦量变化的先后，可以选它们的最大值来观察，沿时间轴正方向看，先出现最大值的正弦量超前，后出现的滞后。由式 e=Emsin（t+）可以看出，当正弦交流电的最大值、角频率（或频率、周期）和初相角这三个量确定时，正弦交流电才能确定，也就是说这三个量是描述正弦交流电必不可少的要素，所以称它们为正弦交流电的三要素。2.2.3 正弦交流电的相位、初相位和相位差电阻、电感、电容器的交流电路2.3仅由电阻组成的交流电路称为纯电阻交流电路，其电路如图 25 所示。纯电阻电路中电阻两端的电压与通过电阻的电流的大小关系为：纯电阻电路中电阻两端的电压与通过电阻的电流相位相同，即同相。2.3.1 纯电阻电路纯电阻电路的平均功率为：纯电阻电路中，电路的功率，即电阻上消耗的功率就是电阻两端的电压有效值与流过电阻的电流的有效值的乘积。电阻两端的瞬时电压 u 与流过电阻上的瞬时电流 i 的乘积为电路的瞬时功率，即 p=ui。2.3.1 纯电阻电路直流电阻和分布电容可以忽略的电感线圈作为交流电路负载的电路，称为纯电感电路，如图 26 所示。纯电感电路中电感两端的电压与通过电感的电流的关系为：2.3.2 纯电感电路电压和电流之间的关系符合欧姆定律，式中 XL=L（L 为电感的自感系数，单位为亨利）是表征电感对正弦电流所呈现“阻止”能力大小的一个参数，称为电感抗，简称感抗，其单位为欧姆（）。感抗的大小和电流频率成正比。当电流的频率 f 0，即电流为直流时，感抗为零，故电感在直流电路中相当于短路。2.3.2 纯电感电路纯电感电路中，电感两端的电压的相位超前通过电感电流的相位 90。电感电路的瞬时功率是随时间按正弦规律变化的，其幅值为电感两端电压的有效值与流过电感上的电流的有效值的乘积。因为正弦函数的平均值为零，因此纯电感电路的平均功率为零，这表明电感不消耗电能。2.3.2 纯电感电路但由于瞬时功率是随时间按正弦规律变化的，这又表明电感与电源之间存在着能量的交换，即瞬时功率大于零时，电感从电源吸收能量并储存起来；当瞬时功率小于零时，电感将储存的能量送归电源。为反映电感与电源之间能量交换的规模，通常把瞬时功率的幅值进行量化，并称之为无功功率，用 Q 表示，即：无功功率的单位为乏（Var）。2.3.2 纯电感电路介质损耗和分布电感可忽略的电容作为交流电路的负载的电路，称为纯电容电路，如图 27 所示。纯电容电路中电容两端的电压与通过电容的电流的大小关系为：上式中电压和电流之间的关系符合欧姆定律，是表征电容对正弦电流所呈现“阻碍”能力大小的一个参数，称为容抗，其单位为欧姆（）。容抗与电容 C 及频率 f 成反比。2.3.3 纯电容电路若 f 0 时，X C ，此时电路相当于开路。所以电容具有阻止直流电流通过，允许交流电流通过的作用。纯电容电路中电容两端的电压的相位滞后通过电容电流的相位 90。为反映电容与电源之间能量交换的规模，将瞬时功率的幅值称之为无功功率，用 Q 表示，单位为乏（Var），即：2.3.3 纯电容电路 谢谢观看！单元 3 电磁原理汽车电工与电子基础汽车电工与电子基础磁的基本概念电与磁的关系电感3.13.23.3电磁感应汽车上常见的电磁元件3.43.5磁的基本概念3.1一、磁铁的特性（1）具有南北二极：静止时恒指向南北，向北方的为 N 极；指向南方的称 S 极。（2）同性相斥，异性相吸。（3）磁铁磁性强弱用所发出的磁力线的多少来表示。磁性以两端最强，中间最弱。（4）磁力线方向自磁铁 N 极发出到 S 极，再从磁铁内部 S 极回到 N 极，完成磁回路。3.1.1 磁的特性若以三维空间来看，则磁力线所构成的空间，很像一个甜甜圈，如图 31 所示。3.1.1 磁的特性二、磁场磁力线虽然看不见，但是磁力却是存在的。为了便于了解，英国物理学家法拉第认为由许多磁力线所构成的连续场就称作磁场。有时也称作磁通。磁场具有一些性质。（1）磁场内部的磁力线为一封闭的曲线。（2）磁力线绝不相交。（3）磁力线上任何一点的切线方向，即是该点磁场的方向。（4）磁场强度较大处，其磁力线也较密。磁场最强处在两极。（5）磁力线有排他性，故同性相斥；磁力线具弹性，可自由缩短，故异性相吸。3.1.1 磁的特性一、磁化使不带磁性的物体变成带有磁性的过程，称为磁化。在磁化过程中，物体的磁分子会成规则的排列，磁化的方法有：（1）摩擦（2）直流电感应法如图 32 所示，在通电一短暂时间后，螺丝刀便具有磁性了。3.1.2 磁化、磁通密度二、磁通密度磁场强度一般均用磁力线多少表示，而磁力线的数量称为磁通量（）。磁通量的单位在M.K.S 制中用韦伯（Wb）表示。磁通密度则是指每单位面积内，垂直通过的磁力线数目，即：3.1.2 磁化、磁通密度一、磁化将一片未见磁性的铁片，靠近磁场，则铁片也会被磁化成磁铁，如图 33 所示，在贴片靠近磁铁 N 极的地方（磁力线的进入端）会被感应成 S 极，铁片的另一端则被感应成 N 极。因为异性相吸，从而使铁片被吸动。3.1.3 磁的应用二、磁阻磁学中的磁阻就如同电子学中的电阻一样，磁场分布中的磁力线总是寻找一条磁阻最小的回路。而铁的磁阻比空气的磁阻小。如图 34 所示，在相同线圈匝数与电流值的条件下，以中间放入导磁体的铁芯所感应的磁力最强，空气芯次之，而以抗磁体的铜芯材所感应的磁力最弱。3.1.3 磁的应用如图 35 所示，汽车中常见的继电器，在线圈中有一铁芯，磁导率可增加到 20000 倍，所以只要有小电流通过线圈，就可产生很强的磁力，将铁片吸下，使触点闭合或打开。3.1.3 磁的应用电与磁的关系3.2所谓“电磁效应”方面的研究是指在导线上通以电流来观察因磁力线变化使导线运动的科学。简言之，电磁效应即是由电产生磁的现象。安培于 1820 年实验发现：在两平行导线中，通以电流，则平行导线之间会产生作用力。在相距 1m 的平行导线中通上 1A 的电流时，其间会产生相当于 2X10-7N 的力。3.2.1 电磁效应如 图 37 所示，若两平行导线的电流方向相同，则其间就会产生吸引力；若电流方向相反，则产生排斥力。3.2.1 电磁效应由于一条导线对于自身所建立的磁场并不能产生作用力，而需与另一条导线所建立的磁场发生关系，来产生彼此间的作用力。因此该实验得出一重要结果，即通有电流的导线将和邻近磁场的磁力线发生作用力，其大小为：3.2.1 电磁效应由式（32）可知，当电流与磁力线成垂直（=90）时，sin=1，其作用力最大。在这个实验中，两条导线因通电的方向不同，而出现不同的运动。这使得安培先生提出了有名的“安培右手法则”。本实验里导线所产生的磁力线方向如图 38 所示。3.2.1 电磁效应该法则主要用于解释一条导线通以电流后，导线周围所感应出磁力线的方向。如图 39 所示，用右手握导线，右大拇指表示电流方向（+-），其余四指则代表所产生的磁力线方向。其中的电流方向 表示电的流出方向，表示电的流入方向。3.2.2 安培右手法则如图 310 所示，安培右手法则亦可解释环状导线因通电流而感应出的磁场方向。3.2.2 安培右手法则如图 311 所示，若将导线绕成环状，则右手四指代表电流流动方向，大拇指表示磁场 N 极的方向。3.2.2 安培右手法则如图 312 所示，在蹄形磁铁的两极中悬挂一根直导体与磁力线垂直，当导体中没有电流流过时，导体静止不动；当电流流过导体时，导体就会向磁铁内部移动，若改变电流流向，导体向相反方向移动。通电导体在磁场中移动的原因是受到磁场的作用力，通常把通电导体在磁场中受到的作用力称为电磁力。3.2.3 磁场对通电直导体的作用电磁力的方向可用左手定则来判断。如图 313 所示，平伸左手，使拇指垂直其余四指，手心正对磁场的N 极，四指指向表示电流方向，则拇指的指向就是通电导体的受力方向。3.2.3 磁场对通电直导体的作用图 314 所示，在磁感应强度为 B 的均匀磁场中，放一矩形通电线圈 abcd。已知 ad=bc=l1，ab=dc=l2，当线圈平面与磁力线平行时，线圈不受力；ad 和 bc 边与磁力线垂直时，线圈受到力的作用，由式（32）得 F1=F2=BIl1。根据左手定则可知 ad 和 bc 边的受力方向是一上一下而构成一对力偶。线圈在力矩的作用下将绕轴线 OO作顺时针方向转动。3.2.4 磁场对通电线圈的作用由图 314a）可以知，使线圈转动的转矩为：当线圈平面与磁力线的夹角为 时，如图 314b）所示，则线圈受到的转矩为：对于 n 匝线圈，线圈受到的转矩为式（34）的 n 倍。3.2.4 磁场对通电线圈的作用式（34）为线圈转矩的一般表示式。当=0时，cos0=1 即线圈平面与磁力线平行时，式（34）变为式（33），此时线圈受到的转矩为最大。当=90时，cos90=0 即线圈平面与磁力线垂直时，线圈受到的转矩为零。通电线圈在磁场中，磁场总是使线圈平面转到与磁力线相垂直的位置上。这一结论对非均匀磁场也适用。图314 就是一个单匝线圈的直流电动机原理图。3.2.4 磁场对通电线圈的作用电感3.3若将导线绕成线圈并通以电流，则其周围会产生磁场，该磁场本身就是一种能量。当电流发生变化时，磁场也必须跟着变化；于是，磁力线会有抵抗或阻止磁场变化的现象。这种对抗线圈内电流变化的能力，就称为电感。它是以磁能作为储存方式。电感的产生主要是因为磁场（磁能）的变化所引起的。线圈所产生的电感量的大小以亨利（H）为单位，并用符号 L 来表示。实际使用上电感都非常小，所以只能以毫亨利（mH）或微亨利（H）为单位。3.3 电感如图 315 所示，若线圈的电流变化率为每秒 1A，并且使线圈本身或另一线圈产生 1V 感应电压（电动势），则这个线圈的电感量就称作 1H。若以数学式表示，则如式（35）所示。其中 di/dt 是电流 i 对时间 t 的变化率，即单位时间内，电流的变化量。若 dt 非常短暂，则线圈会感应出相当高的电压，同样地，若瞬间电流的改变很大（di 很大），也会使线圈的感应电压变得极大。3.3 电感电感量的大小与线圈的 3 个物理特性有关，即：（1）线圈的匝数。（2）线圈的截面积及长度。（3）线圈中间的芯材种类（即导磁系数）。3.3 电感线圈产生的电感量大小与线圈匝数及线圈直径成平方正比的关系。即，在相同导磁系数材料的芯材下，若线圈匝数增加 1 倍或线圈直径增加 1 倍，则电感量为原来的 4 倍。若匝数与直径皆增加 1 倍，则电感量会成为原来的 16 倍。而线圈的电感量与线圈长度成反比，因此，当线圈长度增加 1 倍，则电感量也减少 1 倍。除此之外，电感量的大小也与磁通量有直接的关系。当两电感器通以相同的电流时，磁通量越大的线圈，其电感量也越大。3.3 电感导线绕成圈就成为线圈。线圈是具有电感特性的电子元件，即被称作电感器。线圈由导线绕成（理想状态下，其电阻值为零），线圈中间的芯材可以是空气、磁棒或铁芯等。不同的铁芯材料，其导磁系数也不同，导磁系数是指磁通在材料中建立的难易度，以 为符号，空气的导磁系数 0=4X10-7（Wb/Am）。导磁系数越高，越容易建立磁通量，因此也越容易磁化。通常，导磁性越好的芯材，电感量越大，这类电感器较适于使用在低、中频电路（如钢片芯）；反之，导磁性差的芯材，如铁氧芯、空气芯，则多用于无线电的超高频电路中。3.3.1 电感器电子电路中常见的电感器有各种不同的绕线方式和不同的铁芯形状，如图 316 所示。3.3.1 电感器一、电感器的感应电压（1）当开关接通时（2）当开关断开时（3）当电路上的开关不停地做切换时（4）当在电路中通以稳定的直流电（DC）时3.3.1 电感器理论上，电感器是由无阻导体所制成，但是一旦将它绕成线圈之后，却会对交流电流产生阻力，此即电感抗或称作感抗，以符号 XL 表示：当电流的频率为零时，即直流电，则电感抗等于零，因此，对直流电而言，电感器相当于短路状况（无阻抗）。但是当（交流）电流频率越高时，其感抗也越大。3.3.1 电感器二、充电与放电电感器最大的特点便是它可以从电源取得电能并转换成磁能储存于磁场中，此种现象称为电感器的充电。反之，当移去电源时，电感器又将所储存的磁能转换成电能消耗于电路中，此现象称为放电。要有磁场就必须要有电流，因此，电感器的充放电，都是通过电流的变动来改变其储能状态的。3.3.1 电感器为了了解电感器的充放电情形，下面以图 321 来说明。（1）如图 321a）所示，当开关置于 1时（2）如图 321b）所示，当开关拨至 2时（3）如图 321c）所示，当开关拨至 3时3.3.1 电感器自感其实就是线圈本身的电感。当电流变化时（增加或减少），导线本身为了抵抗变动而产生感应电压的能力。感应电压的大小，则根据接通或断开的状态而有所不同，并且会受到 di/dt 的影响。因为自感和电感一样，其感应电压（电动势）的方向都会与原电压方向相反，因此又称反电动势。反电动势大小随匝数及磁通变化率的增加而增大。当然，也随着 di/dt 增大而升高。3.3.2 自感与互感电磁感应3.4法拉第证明了在一闭合回路中，若磁通发生变化，则将在此闭合回路里感应出电流。法拉第称这种因磁通变化而产生电流的现象为电磁感应；闭合回路中所产生的电压称为感应电动势，产生的电流称为感应电流（几乎在同一时间，美国的亨利也发现电压是由磁场感应而产生的）。3.4.1 法拉第感应定律法拉第的试验如图 323 所示：将线圈连接于电流表，然后把磁棒的 N 极端迅速地向线圈推进，此刻电流表上的指针会向一侧偏转，然后恢复到中央零线位置。指针的偏转表示线圈中有感应电流发生。接着把磁棒从线圈内抽出，即发现电流表上的指针往相反方向偏转，然后回到中央零线位置。3.4.1 法拉第感应定律之后，法拉第将磁棒换成了一组通电的线圈，如图 324 所示。当线圈上的开关接通或切断瞬间，都可见到电流表指针的偏转，只是方向相反而已。法拉第的试验证明不论磁场变化的原因是磁棒的相对运动或是另一线圈磁场的改变，都可以产生感应电动势（及感应电流）。3.4.1 法拉第感应定律法拉第综合上述两项实验而提出了著名的法拉第感应定律：线圈在随时间而变动磁通的磁场中运动，即会产生感应电动势或电流，其大小与线圈匝数及磁通的变动率成正比。以小写英文字母 e 代表此电压为感应电压。负号表示反对原磁场的变化，与原电压方向相反，是一个向量符号。3.4.1 法拉第感应定律据此推之，若磁场没有变动，但导体在磁场中垂直于磁场移动时，则此导体上也会产生感应电动势，如图 325、图 326 所示。3.4.1 法拉第感应定律由式（37）可以导出：3.4.1 法拉第感应定律直导体中产生的感应电动势方向可用右手定则来判断，如图327 所示：平伸右手，运动方向 使拇指与其余四指垂直，让掌心正对磁场 N 极，以拇指指向表示导体的运动方向，则其余四指的指向就是感应电动势的方向。3.4.1 法拉第感应定律1834 年，30 岁的俄罗斯物理学家楞次，在观察了各种产生电流和感应电动势的现象后，综合得出结论：感应电动势的方向是为了使所产生的感应电流能够反抗原来磁场的变化，即楞次定律。如图 328a）所示，当磁棒 N 极靠近线圈时如图 328b）所示，当磁棒远离线圈时3.4.2 楞次定律1879 年，就读于美国霍普金斯大学研究所的霍尔从观察中发现，当一导体暴露在磁场中，并且在导体上流过与磁场方向垂直的电流时，则此导体会产生出一微小电压（霍尔电压），霍尔电压与磁场强度成正比。这便是著名的霍尔效应，如图 329 所示。3.4.3 霍尔效应其中，IV 为电源电流，IH 为霍尔电流，UH 为霍尔电压，B 为磁通密度。后来霍尔效应装置上采用半导体材料来取代原先的纯导体，因为那将会产生较高的霍尔输出电压，如图 330 所示。3.4.3 霍尔效应当半导体元件被暴露在磁场环境中时，通过此元件将感应出电压（霍尔电压），暴露得越多，感应电压也越高。当元件被完全处于磁场中时，其感应电压将达到最大值，并且会持续到磁场开始受到阻隔为止。当元件开始被隔离于磁场时，电压也开始下降，如图 331 所示。3.4.3 霍尔效应只要半导体元件与磁场间受到阻隔或是元件离开了磁场范围，霍尔元件即不再感应出电压来，如图 332 所示。3.4.3 霍尔效应霍尔效应装置常使用在汽车点火系统中，霍尔效应装置可以为三极管点火系统提供触发信号。如图 333 所示，通过转盘上的遮罩提供一低磁阻的磁路，可使磁力线不流过霍尔半导体组件。通过转盘不停地转动，霍尔元件可送出连续的方波信号，如图 334 所示。3.4.3 霍尔效应图 335 所示为采用霍尔效应所制成的点火系统中的分电器构造。3.4.3 霍尔效应汽车上常见的电磁元件3.5电磁式检波线路通常使用在需要由旋转速率来控制的电气系统中，例如：无分电器式点火系统、ABS 系统等。无论哪一种系统，电磁式检波线路的基本作用都一样。该线路主要由 4 个部分所组成（图 336）：该线路主要由 4 个部分所组成（图 336）：（1）控制模块（ECM）。（2）电磁式传感器。（3）磁阻器。（4）电路与各接口。3.5.1 电磁式检波传感器在控制模块（ECM）内包含了一个限流电阻和一个信号处理元件，此处理元件的作用类似一个 AC 电位计。限流电阻与 AC 电位计彼此串联。3.5.1 电磁式检波传感器1）当磁阻器凸齿靠近检波传感器时，传感器的磁场便开始产生集中的现象，此刻会使检波传感器里的线圈感应出正电压，如图 337a）所示。磁场的变化越大，则感应出的电压也越强。（2）当磁阻器凸齿与传感器尖端对齐成一直线时，因为此瞬间磁场的变化率最小，所以也没有感应电压生成，如图 337b）所示。3.5.1 电磁式检波传感器（3）而当磁阻器凸齿继续转动，准备要离开传感器时，传感器所受的磁场则出现扩张散开的相反变化，于是使得传感器内的线圈感应出一个负的电压脉冲信号，如图 337c）所示。（4）直到磁阻器两凸齿间的空隙和传感器尖端对齐，磁场再一次不发生变化，故也无电压输出，如图 337d）所示。3.5.1 电磁式检波传感器由电路所产生的电压信号，可以通过示波器进行观察。图 338 所示为一正常示波器所显示的检波传感器调变后的正弦波波形（实际上的波形则如图 339 所示，实际的磁力线变化如图 340 所示）。3.5.1 电磁式检波传感器若电路中出现较正常值高的电阻时，则将使感应电压值下降（不论正负电压）。这种状况会使传送到 ECM 的电压信号基准降低，同时也会令示波器上所显示出的正弦波波峰变得较低，如图341 所示。相同的情况也会出现在磁阻器与检波传感器位置安装不正确的时候，如果两者的距离太远，则因磁场强度的变化会比正常时低，而使感应电压变小，导致信号微弱。3.5.1 电磁式检波传感器继电器是一种利用电磁作开关的电子元件，它可通过手动方式或是三极管来切换。它也是一种以小电流来控制大电流的装置。其主要构造为线圈、铁芯及断电触点，如图 342、图 343 所示。它形式上有常开型（NO 型）和常闭型（NC 型），若依引脚分别有 3 引脚、4 引脚、5 引脚.3.5.2 继电器3.5.2 继电器图 344 所示为一喇叭电路，压下喇叭开关后，蓄电池电压加在继电器线圈上，使线圈充磁，产生吸力将触点接合，于是蓄电池的电流便使喇叭发出响声。由于继电器线圈是用很细的导线所绕成，所以喇叭开关只流过少量的电流（约 0.25A），但是流过喇叭的电流却可以达到 25A。3.5.2 继电器由于继电器主要是用导线绕成，根据楞次定律，当初级线圈接通而磁场将建立时，线圈都会因而感应出一反向电压来。为了消除这个不