用電器被短路的實質是什麼?
同事把這個問題發給我了,希望我給初中生們回答一下。我記得我不久前回答過。也罷,再回答一次。
自己都覺得快變成中學老師了,笑!
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我們看題主的問題說明:“
一個用電器被一支導線短接,可看作是並聯,用歐姆定律來看用電器電壓和電阻不變,電流不應該不變嗎?
”。
容易看出,題主完全沒有整個電路的概念,只是把關注點放在負載側上。
我們來看下圖:
圖1:典型電路
圖1中,E是電源電動勢,r是電源內阻,R就是電器電阻,I是流過電器電阻的電流,U是路端電壓。
對於圖1電路,我們有:
,式1
也就是說,圖1中電器電阻兩端的電壓U,就等於電流I與它自身電阻R的乘積:
,式2。
那麼流過電阻的電流I是什麼?
,式3
我們看到,電流不但與電器電阻R有關,還與電源內阻r有關。由於r的值相對於電器電阻R來說,非常小,所以路端電壓U近似等於電源電動勢E。
舉個例子:設電池的電動勢是6V,電池內阻是0。1Ω;電器就是燈泡,它的功率Pn是0。1W,額定電壓Un是6V。我們來求一求流過燈泡的電流I是多少?再求一求燈泡兩端的電壓U是多少?
首先計算燈泡的電阻:因為
,所以燈泡的電阻為:
根據式3,流過燈泡的電流為:
再根據式2,燈泡兩端的電壓也即路端電壓U為:
那麼電池內阻上的壓降是多少?
透過計算,我們發現,流過燈泡的電流以及它兩端的電壓與全電路中的引數密切相關。也就是說,燈泡兩端的電壓和流過它的電流不是獨立的,必須考慮全部電路的引數才行。
我們再看下圖:
圖2:我們用一條短接線短接電阻R的兩端,會怎樣呢?
首先要明白一個道理,導線的電阻並不等於零,而是有一定的電阻的,只不過它的值非常小,我們在實際計算中把它忽略了。
我們設短接線的等效電阻是Rx,從圖2的右圖我們看到,Rx與R是並聯關係,則總電阻Rb為:
,式,4-1
或者:
,式4-2
此時總電流I為:
,式5
電器等效電阻R兩端的電壓U為:
,式6
我們把式2和式6做個對照,會發現差別就在電阻上。式2是電器的等效電阻R,而式6則是導線與電器並聯後的電阻。
我們接著上面的例子,來具體計算一下。
我們設所用的連線導線是一條截面為1。5平方的銅線,長度為1米。我們來計算這條導線的電阻是多少:
我們把它與燈泡並聯,由式4-1看看並聯電阻Rb是多少:
注意:我們看到導線與燈泡並聯後,總電阻幾乎就等於導線電阻。這不是偶然的!在實際工程中,若兩隻電阻的阻值相差10倍,則並聯後的電阻阻值近似等於較小的電阻。
我們把資料代入式5,看看短接後的總電流是多少:
這事實上就是短路電流!!!相比之前正常電路的電流,增大了53。8940/0。01666=3235倍!!!
我們再把電流值代入到式6中,看看燈泡兩端的電壓是多少:
這就是用導線把燈泡短接後燈泡兩端的電壓。這個電壓其實就是導線短接後的路端電壓,我們看到它遠遠小於電池電動勢E。
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我們再回頭看題主的問題說明:“
一個用電器被一支導線短接,可看作是並聯,用歐姆定律來看用電器電壓和電阻不變,電流不應該不變嗎?
”。
題主的錯誤在哪裡?根本性的錯誤有兩點:
第一:沒有建立全電路的概念;
第二:沒有正確地認識到導線與電器並聯後的總電阻就等於導線電阻。
我把題主的問題說明改寫後作為答覆吧,如下:
一個用電器被一支導線短接,可看作是導線與電器並聯。雖然電器的電阻不變,但從歐姆定律來看,此時的電流是短路電流,電流增大了許多倍!!!
另外,短路電流如此之大,電源電動勢主要落在電源內阻上,因此電源將劇烈發熱並燒燬。
另外,由式4-2,我們可以看到很有意思的現象。
我們設,Rx等於R/10,我們把它代入到式4-2中:
這說明,如果線路電阻小於電器電阻的1/10,則並聯電阻近似等於線路電阻。按以上範例資料,線路電阻為0。01133Ω,電器電阻為350Ω,兩者之比為31774倍。所以並聯電阻就等於0。9999685Rx,幾乎就是線路電阻了。
最後,給題主出個問題:
當導線把燈泡並聯後,我們已經知道此時流過的是短路電流。試問:此時流過導線的電流是多少?流過燈泡的電流又是多少?為何流過導線的電流遠遠大於流過電器的電流?
如果題主真想好好學習,請在評論區解答此三個問題,我會對解答給予評價。