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焦耳定律的变形公式的应用-纯电阻电路和非纯电阻电路的区别-电热器的双挡问题详细信息
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纯电阻电路

纯电阻电路就是除电源外,只有电阻元件的电路,或有电感和电容元件,但它们对电路的影响可忽略。电压与电流同频且同相位。电阻将从电源获得的能量全部转变成内能,这种电路就叫做纯电阻电路。 基本上,只要电能除了转化为热能以外没有其他能的转化,此电路为纯电阻电路。

纯电阻电路,就是在通电的状态下,只发热的电路,即通电状态下电能全部转化为电路电阻的内能,不对外做功。

纯电阻电路中只有电阻、电源、导线,电能不能转化为热能以外的能量形式。

例如:电灯,电烙铁,熨斗,等等,他们只是发热。它们都是纯电阻电路。

非纯电阻电路

由于发动机,电风扇等,除了发热以外,还对外做功,所以这些是非纯电阻电路。非纯电阻电路中电能一部分转化为电阻的内能,一部分转化为其他形式的能,如发动机,电扇等,一部分电能就要转化为机械能。

在纯电阻电路(如白炽灯、电炉、电饭锅、电烙铁、电热毯、电熨斗、转子被卡住的电动机等电路)中,电功等于电热,即WQPtUItI²RtU²t /R

在非纯电阻电路(含有电动机、电风扇、电冰箱、电磁炉、电解槽、给蓄电池充电、日光灯等)中消耗的电能除转化成内能外,还有一部分转化成机械能(如电动机)或化学能(如电解槽),即:

电动机:WE机械+Q (UItE机械+I²Rt)

此时:W>Q (UIt>I²Rt)

在非纯电阻电路中,U²t/R既不能表示电功,也不能表示电热,因为欧姆定律不再成立。

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事例:例如:电灯,电烙铁,熨斗,电炉等等,他们只是发热。它们都是纯电阻电路。但是,发动机,电风扇等,除了发热以外,还对外做功,所以这些是非纯电阻电路。白炽灯把90%以上的电能都转化为热能,只有很少转化为光能。所以,在中学电学计算中,白炽灯也近似看做纯电阻。而节能灯则大部分能量转换成了光能所以节能灯属于非纯电阻电路。这也是为什么白炽灯远比节能灯耗电的原因(节能灯几乎将电能全部转化为了光能)

焦耳定律的推导公式: Q=UIt,适用范围,纯电阻电路。

电热器的“双挡”问题:

1.“双挡”中的电阻:电热器通常设计有“高温挡” 和“低温挡”。根据 可知,当U一定时,电阻越大,电功率越小;电阻越小,电功率越大。所以高温挡总电阻最小,低温挡总电阻最大。

2.“双挡”的控制开关

(1)短路式

      两个电阻串联,把开关与其中一个电阻并联,如下图所示。

      当闭合开关时,有一个电阻短路,只有一个电阻工作,此时为高温挡;当断开开关时,两电阻串联,电阻大一些,电热器的功率小一些,此时为低温挡。

(2)单刀双掷式

    主要工作电阻放在干路上,一条支路用导线,一条支路连接在附加电阻上,如下图所示。

    当开关掷向附加电阻的支路时,两电阻串联,为低温挡;当开关掷向导线支路时,只有主要工作电阻工作,此时为高温挡。

电功率与热功率

在纯电阻电路中,电功率等于热功率,即PUII²RU²/R

在非纯电阻电路中,电功率就只能按照P=UI来算了,因为在非纯电阻电路中,电流和电压并不满足欧姆定律,那么产生的热功率也只是总功率P=UI的一部分,记住,电流产生的热只能是P=I2R来计算。

举个例子,一个内阻为的电动机,工作电压为15V,电流为5A,那么:

它正常工作时功率为:

P1=UI=15V×5A=75W

它正常工作时发热功率为:

P2=I2R=(5A)2×2Ω=50W

转化为机械能的功率为:

P3=P1-P2=25W

特别提醒:

不要认为有电动机的电路一定是非纯电阻电路,当电动机不转动时,仍为纯电阻电路,欧姆定律仍适用,电能全部转化为内能.只有在电动机转动时为非纯电阻电路,U>IR,欧姆定律不再适用,大部分电能转化为机械能。

同样的例子:

一个内阻为的电动机,工作电压为15V,电流为5A,那么:

它正常工作时功率为:

P1=UI=15V×5A=75W

它正常工作时发热功率为:

P2=I2R=(5A)2×2Ω=50W

转化为机械能的功率为:

P3=P1-P2=25W

假如此时将正常工作的电动机卡死,则此时的电动机就不再转动了,成为一个纯电阻电路,(吶,这就满足欧姆定律啦!)

那么此时的电流也会随之改变:

I1=U/R=15V/2Ω=7.5A

发热功率为:

P4=(I1)2R=U2/R=112.5W

 

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