汽車火花塞電流方向分析

王圣涵，王鵬

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汽車火花塞電流方向分析

王圣涵1，王鵬2

（1.東營市第一中學(xué)，山東 東營 257091；2.東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257091）

汽車點火系統(tǒng)中，高壓缸線中的電流方向，是一個有爭議的問題。文章從高中物理的角度出發(fā)，根據(jù)右手螺旋定則、法拉第電磁感應(yīng)定律、帶點離子在電場中的運動原理，對火花塞電流進(jìn)行了分析，得出電流從接地電極到中心電極流動的結(jié)論。

火花塞；電磁；電場

1 問題的提出

汽車傳統(tǒng)點火系統(tǒng)中，火花塞放電擊穿空氣，產(chǎn)生電火花，電火花點燃可燃混合氣，可燃混合氣爆炸做功，推動發(fā)動機(jī)的活塞運動，從而帶動曲軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)車輛的運行。對于這個過程，幾乎沒有人提出疑問。但是，既然產(chǎn)生了電火花，那么火花是從接地電極（旁電極）到中心電極（主電極）的，還是從中心電極到接地電極的？對于這個問題，許多資料都沒有給出明確的解釋，網(wǎng)友也眾說紛紜，各執(zhí)己見。由此也帶來一個問題，火花塞的中心電極和接地電極相比較誰的電壓高呢？電壓的高低，決定了兩者之間形成的電場的方向，而電場的方向又決定了離子或電子的移動方向，也就決定著電流的方向。下面將從最基礎(chǔ)的物理理論出發(fā)，對這些問題進(jìn)行合理的解釋。

圖1 典型火花塞結(jié)構(gòu)

2 火花塞電極方向分析

傳統(tǒng)點火系統(tǒng)工作過程分析時，經(jīng)常用到圖2所示電路圖。

圖2

這是一個無觸點點火系統(tǒng)的分析圖，圖中明確的標(biāo)出了電流的方向，特別是虛線箭頭方向指的是點火線圈到分電器、火花塞的電流方向，可以清楚的看出電流是從接地點到火花塞主電極，再到配電器的?？梢缘贸鼋Y(jié)論：經(jīng)過火花塞的電流是從接地電極（旁電極）到中心電極的。下面對上圖進(jìn)行分析。

2.1 開磁路式點火線圈的結(jié)構(gòu)

上圖所示是開磁路式點火線圈，它有兩組線圈組成，分別稱為初級線圈和次級線圈，都是采用漆包線繞制而成，其中初級線圈相對較粗，截面積大概在0.5-1.0平方毫米之間，一般設(shè)計為200-500匝；次級線圈采用截面積為0.1平方毫米的漆包線，在15000-25000匝左右，它們纏繞在同一個鐵心上，初級線圈和次級線圈內(nèi)磁通量變化是相同的。

2.2 電磁規(guī)律對電流方向的判斷

從上圖我們可以看到，當(dāng)接通點火開關(guān)S以后，電流會依次通過點火線圈的正極、負(fù)極、點火控制器、搭鐵回到電源負(fù)極，從而完成初級線圈電路的閉合。點火控制器控制著初級線圈的通斷，當(dāng)初級線圈通電的時候，根據(jù)右手螺旋定則，我們可以很簡單的判斷出磁通的方向是向上的，而由于線圈匝數(shù)較多，在200-500匝之間，形成的磁通也較大。當(dāng)初級線圈斷電的瞬間，磁通會從一個較大的值降到零，從而引起次級線圈內(nèi)的磁通量變化。根據(jù)楞次定律：感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化[1]。我們可以很簡單的用右手螺旋定則判斷電流的方向。因為向上的磁通在減少，感應(yīng)電流的磁場方向向上，右手環(huán)繞方向就是電流的方向，判斷的結(jié)果恰好與圖中所示方向相同。由于次級線圈的匝數(shù)在15000-25000之間，磁通量變化引起的感應(yīng)電動勢較大，達(dá)到了18000伏左右，滿足了擊穿空氣，形成電流的條件。

2.3 感應(yīng)電動勢分析

感應(yīng)電流的產(chǎn)生，離不開感應(yīng)電動勢，從我們判斷出的次級線圈環(huán)繞方向和電流走向來看，次級線圈的下端為正極，上端為負(fù)極（我們把環(huán)繞的次級線圈看成是電源內(nèi)部，在電源內(nèi)部，電流是從負(fù)極流向正極的次級線圈的），而負(fù)極是與高壓鋼線、配電器、火花塞中心電機(jī)相連接的，由此可以判斷出火花塞的主電極是負(fù)電極。

2.4 電荷在電場的移動

要說明感應(yīng)電流的產(chǎn)生，我們首先需要了解正負(fù)離子和正負(fù)電荷在電場中的移動問題，如下圖所示，如果在A點放置一個正電荷或者正離子，在電場力作用下，它將沿著電場線向B端移動。如果在B端放一個負(fù)離子或者負(fù)電荷的話，在電場力作用下它將逆著電場線向A端移動。當(dāng)然，如果我們在電場線左右兩端放置正負(fù)極板的話，根據(jù)同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引[2]的理論更容易得出結(jié)論。

圖3

我們上面已經(jīng)分析出火花塞的中心電極（主電極）是負(fù)極，那么接地電極（側(cè)電機(jī)）是什么呢？它肯定不是正電極，因為它是與火花塞金屬外殼相連的，最終與電源的負(fù)極相連，這里我們可以把接地電極的電位看成0V。在汽車上，接地電極是搭鐵的，電位是0。接地電極電位是0，中心電極電位在負(fù)的18KV左右，這里需要注意的0>-18KV，也就是說，電場方向是從接地電極指向中心電極的。

2.5 電火花的形成

汽車火花塞點燃的是可燃混合氣，可燃混合氣隨著發(fā)動機(jī)壓縮行程的進(jìn)行，會生成大量的正負(fù)離子。這些正負(fù)離子在火花塞中心電極和側(cè)電極形成的電壓為18KV的電場中，受到電場力作用，正離子或正電荷會迅速向中心電極移動，形成電流；負(fù)離子或負(fù)電荷會向接地電極移動，也形成一個電流，負(fù)電荷形成的電流與負(fù)電荷移動方向相反，因此兩個電流形成的方向一致，這個電流就是我們所說的電火花。電火花接通了側(cè)電極和中心電極，從而形成了圖2所示的電流方向。

3 結(jié)論

通過以上分析，我們可以清晰的認(rèn)識到，圖2所畫的電流方向，并沒有錯。我們之所以難以理解，是我們對負(fù)高壓缺乏正確的認(rèn)識。電流的方向是從高電勢流向低電勢的，我們習(xí)慣接受電流從正極流向負(fù)極，對電流從0流向負(fù)極這種高電勢流向低電勢缺乏清醒的認(rèn)識，是造成這個問題討論不休的主要原因。

[1] 人民教育出版社編著.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-2,2017年7月（8）,11.

[2] 人民教育出版社編著.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-1,2017年7月（8）,11.

Analysis of current direction of automobile spark plug

Wang Shenghan1, Wang Peng2

( 1.Dongying No.1 Middle School, Shandong Dongying 257091; 2.Dongying Vocational College, Shandong Dongying 257091)

The direction of the current in the high-pressure cylinder line is a controversial issue in the automotive ignition system. From the point of view of high school physics, according to the right-handed spiral rule, Faraday's law of electromagnetic induction, and the principle of motion of point ion in electric field, this paper analyzes the spark plug current, and draws the conclusion that the current flows from the ground electrode to the center electrode.

Keywords: Spark plug; electromagnetic; field

G302

B

1671-7988(2018)20-126-02

G302

B

1671-7988(2018)20-126-02

王鵬，男，（1974-），漢族，山東省廣饒縣人，講師，教育碩士，主要研究方向為物理教學(xué)論、汽車?yán)碚摲治?、新能源汽車教育等?/p>

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.046