电路中产生电能的设备 [电路中电能问题探讨]
时间：2020-03-07 09:48:34 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 纯电阻型与非纯电阻类电路由于其物理特性的差异，在进行能量转换计算时，会形成能量类型的差别，就以上两种类型电路中的能量转换问题，分别进行讨论。 关键词： 电能；能量守恒；纯电阻电路
中图分类号：TM131.4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210195－01
在电路中，常常遇到这两种电路：纯电阻类型电路和非纯电阻类型电路。在这样两种情况下，必然会把电路中的电能转换成其他不同形式的能量，本文就这两种类型的电能转换问题，分别进行讨论。
图1表示一个直流电路，它是由一个“盒子”和一块直流电源A串行连接而成。其中，有着a、b两个接线端子的“盒子”，可能是纯电阻（例如白炽灯、电炉丝、电热毯等），也可能是非纯电阻（例如电动机、电解槽、电视机等）。从图中可以看到电荷由接线端子a经过“盒子”到达接线端子b时，电场力做功。电路上的电荷电势能逐渐减少，由于“盒子”所搭载的电路内容不同，必然会导致电能转换出的能量形式存在差异。
图1
1 “盒子”内装有纯电阻类型电路
当“盒子”内装载着纯电阻电路形式时，接线端子a、b之间电路段的电能减少，将完全以热能（焦耳）的形式出现。由于电路中电荷在运动时动能不变，那么它的电能减少部分理论上应该全部转换成了热能。这如同一粒石子从空中掉落入水，经过一段时间，当石子下落到水中一定深度时，石子所受重力与水对石子施加的阻力互相达到平衡，进而重力与阻力的作用相互抵消，石子的速度将不再增加，保持一定的速度运动，其动能则不再增加。在这种情况下，因为石子动能的恒定，根据能量守恒定律，石子的重力势能减少转化成了其表面与水摩擦生成的热能。对于这种纯电阻型电路，一旦内部有电流经过，纯电阻电路就要消耗相当的电能，并将电能转换为电热能。从微观角度来看，电路中电子与纯电阻内品格点阵碰撞，使品格点阵的振幅增大，导致纯电阻型电路温度升高。
对于这样的纯电阻型电路，其能量关系可以写成下面的等式：
（其中rA为电池内阻，R为纯电阻）
即化学能 电能 热能
2 “盒子”内接有非纯电阻类型电路
如图2，“盒子”内皆有非纯电阻类型电路，在接线端子a、b段中，大部分电能都转换成了机械能（电动机内阻很小）。
图2
其转换关系为：
在“盒子”中，路端电压Uab≠IR电，这说明对非纯电阻型电不能用欧姆定律来简单计算。电动机（假定“盒子”中装入的为电动机）内压降UR≠Uab，这时直流电源A对外电路的输出功率可表示为P出=IUab≥IUR。可见电动机所消耗的电能除自己内阻相对少量的消耗之外，其余大部分都对外进行了输出，成为动能。
总之，对于纯电阻型电路与非纯电阻型电路所构成的电路中的能量，无论其电路如何进行转换，总能量都来源于电源内部的化学能（或其他能量）。电路中，直流电池A已经和外电路相接通，直流电池的这种化学能就被储藏在电路周围的电磁场中，而这些能量就可以通过热能（焦耳）、机械能、化学能或者其他形式的能量进行表现，因而电路周围的电磁场有着很重要的“承上启下”作用。
3 “盒子”内同时有两种电阻类型电路
电路中的“盒子”若有纯电阻和非纯电阻类型电路时，如图3，全部电路上的电能均来源于直流电池A。
其能量转换关系可以用框图表示：
可见电路中电磁场像一个储能库，它的库存不变。也就是说不论什么样电路，其能量无论如何进行相互转换，通过电流流入储能库的能量与从储能库流出的能量守恒，即电路中存在的能量可以通过各种形式存在，但必然保持总体能量的守恒。
参考文献：
[1]《普通物理学简明教程》，中央电大出版社.
[2]《物理教师手册》，人民教育出版社.
[3]《电路原理》，清华大学出版社.
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