問題2:變壓器原線圈的線圈數(shù)比副線圈少,那么它就是升壓電路。根據(jù)P=IU,I=U/R ,則電流應該降低。又因為副線圈的電阻不變,那么電壓升高那么它的電流應該升高才對。因此這不符合歐姆定律;
問題3:發(fā)電機發(fā)出來的電和家用電是不是不一樣?
問題4:打火機的電弧電壓很大,電流很小。這樣的小電流應當是它的總電流,電弧中的電流應當很大才對。
我們現(xiàn)在開始。
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問題1的解答:
我們來看下圖:

現(xiàn)在,我們令兩只電池的中間連接處電壓為0V,那么圖中A點、B點和C點的電壓是多少?
答案是:A點電壓Ua=220V,B點電壓Ub=0V,C點電壓Uc=-220V。
現(xiàn)在,我們把參考地挪到電路的左下方,那么A點、B點和C點的電壓又是多少?
答案是:A點電壓Ua=440V,B點電壓Ub=220V,C點電壓Uc=0V。
如果我們把參考地挪到電路的左上方,那么A點的電壓就是0V,B點的電壓為-220V,而C點的電壓為-440V。
這個概念很重要。
由這個概念出發(fā),我們可以有幾個重要推論:
推論1:某點電壓為零,與此點是否有電流流過無關。
推論2:節(jié)點電壓是系統(tǒng)參數(shù),不能僅僅依靠歐姆定律來求解。
我們來看看第一種情況下的電壓波形圖:

現(xiàn)在,我們把電池換成交流電源,看看情況如何:
我們看下圖:

從直觀看,交流電壓的大小和方向時刻在變,而直流電壓的大小和方向不變。
1)交流電壓的220V指的是有效值。
所謂有效值,與電阻的發(fā)熱有關。
我們把交流回路中的電源改為直流電,它向封閉在密閉空間中的電阻供電。過了一段時間t后,測量此密閉空間中的溫度,并由此推得電源所消耗的功率。
接著,我們把電源換成交流電,也讓它向此密閉空間中的電阻供電。過了相同的時間t后,若空間中的溫度與之前的溫度相同,也即此交流電源所消耗的功率與直流電源消耗的功率相同,則把直流電流的值叫做交流電流的有效值。
由于電阻不變,也由此推得了交流電壓的有效值。
居家配電中的220V電壓指的是有效值,此電壓的最大值是1.414X220=311V。
現(xiàn)在,我們看到題主的第一個錯誤了,220V交流電壓與正負220V直流電壓完全是兩回事。這一點可從兩者的波形圖對比看得清清楚楚。
如果我們把直流電池的電壓也換成311V,那么兩者能否等效呢?還是不行。
我們很容易看出,交流電電壓的1/4周波面積(深天藍色區(qū)域)小于同等時間寬度下的311V面積(綠色區(qū)域),所以220V交流電的發(fā)熱量小于正負311V直流電壓的發(fā)熱量,也即兩者不等效。
請初中學生注意:題主所犯的錯誤很典型,很可能是相當多初中生們的共同認識錯誤。
2)交流電源的某條線接地問題
我們來看下圖的右圖:

一個重要事實:由前面的推論1,我們已經(jīng)知道,盡管兩只電池的中點接地,但毫不影響導線中的電流。
我們再看左圖,我們發(fā)現(xiàn)交流電源的下端也接大地,所以此點的電位為零。
如果交流電源的任何一端均未接地,那么交流電源的輸出是對稱的,也無所謂什么火線或者零線。但我們把交流電源的某點接地了,不但它的電位為零,并且這條線還具有了保護人身安全的性質。不過,這條線還不是真正意義上的零線。
我們來看下圖:

圖中的左上方看到三相電力變壓器,以及它的三相繞組出線側,分別標記為L1、L2和L3。我們看到,三相繞組的中性點也被引出,這條線叫做中心線N。
我們在左下側看到,中性線N被接地,于是這條線的符號也由N變成了PEN,它就是大名鼎鼎的零線。
相線也即火線。火線有3條。見圖中的右側。
看完這張圖后,我們能得到如下幾個結論:
1)火線和零線不是對稱的。零線必須接地,但火線絕對不能接地。
2)盡管零線有接地,但接地完全不影響零線中的電流流動。理由見前面的推論1。
3)火線之間的電壓在用電負荷處是380V,叫做線電壓;用電負荷處任何一條火線對零線的電壓是220V,叫做相電壓。
現(xiàn)在,我們再來看看題主的疑問:
零線接地與人的電勢差為0也就是0v。個人認為是沒有火線,零線之分的,都是-110V到+110v;
題主的錯誤在于:他把火線和零線認為具有對稱性了,顯然這是錯誤的。其次,火線和零線的電壓與正負110V電壓毫無關系,這一點在前面已經(jīng)說明。
問題2的解答:
題主對問題2的看法當然是錯誤的,錯誤在于:他對歐姆定律的理解有誤。
我們看下圖:

歐姆定律是:流過電阻的電流,是電阻兩端的電壓與電阻值之比。也即:
我們已經(jīng)知道,電阻R3兩端的電壓是440V,若電阻R3的阻值是440歐,則有:
注意,這里的電壓一定指的是電阻兩端的電壓,并且歐姆定律只能用于電阻類參數(shù)的計算,這一點不能弄錯,更不能任意發(fā)揮。
如果一定要將歐姆定律發(fā)揮到任意元件的計算,則必須要利用一種特殊工具——相量計算法。(注意,這里的相量不是向量,它是電路分析的專門方法。并且,相量計算的基本數(shù)學工具是復數(shù),它需要學習復變函數(shù)才行。這是大一《工程數(shù)學》的內容)。此時,電阻已經(jīng)成為阻抗,而歐姆定律也叫做復阻抗下的歐姆定律。
由此可見,題主把計算電阻的方法發(fā)揮到變壓器的參數(shù)計算是何等錯誤。
那么變壓器有沒有適合于初中生的簡便計算法呢?有的。
設變壓器一次回路的功率為P1,電壓為U1,電流為I1;變壓器二次回路的功率為P2,電壓為U2,電流為I2。則有:
并且有:
K叫做變比。
另外,還有一個重要參數(shù),叫做每伏圈數(shù)。
例如某變壓器的一次側是380V,二次側是220V,每伏圈數(shù)是3圈/伏,則變壓器一次側的圈數(shù)是:
變壓器二次側的圈數(shù)是:
于是有:
我們來看題主的問題:
變壓器原線圈的線圈數(shù)比副線圈少,那么它就是升壓電路。根據(jù)P=IU,I=U/R ,則電流應該降低。又因為副線圈的電阻不變,那么電壓升高那么它的電流應該升高才對。因此這不符合歐姆定律。
錯誤在哪?題主把變壓器當成電阻了!P=IU和I=U/R 適用于可變電阻器,而不能用于變壓器!!!
那么實際的變壓器是如何計算的?它要考慮到變壓器內部的磁路,要考慮到線圈的電阻,要考慮到線圈的互感和自感,要考慮到阻抗電壓和勵磁涌流。在大二上專業(yè)課《電機與拖動》和《電工學》時,會詳細講解變壓器的工作原理。
問題3的解答:
問題3的解答很簡單:對于低壓配電系統(tǒng)來說,基本計算方法和上述計算是一樣的,沒有特殊性。
不過,這里最重要的是短路計算。這又會延伸出一大堆理論,以及國家標準和國際標準。我們忽略吧。
問題4的解答:
當按下打火機按鈕后,打火機中出現(xiàn)了電弧。打火機電路如下:

電路的原理我就不解釋了,初中生看不懂。不過,我們還是可以看看電弧的伏安特性的,如下:

打火機電路中的電弧其實是脈動直流電弧,也即一次次地點燃和熄滅,這樣避免打火機觸頭燒蝕。但每次起弧時,伏安特性都與上圖一致。
伏安特性曲線的細節(jié)解釋我們就省了吧。
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這個帖子到這里內容全部結束。
最后給個總結:
1)不能用歐姆定律來簡單地解釋變壓器,其原因在于變壓器中不但有電現(xiàn)象,還有磁現(xiàn)象。磁路也有磁路自己的基爾霍夫定律,以及磁路的歐姆定律,但用初中的知識是無法解釋的;
2)不能用正負直流電壓來理解交流電壓;
3)要準確理解交流電有效值的定義,以及它的最大值、周期以及頻率參數(shù);
4)要準確理解交流電火線和零線的定義;
5)要準確理解電源接地的意義,理解電源的某點接地后并不影響導線電流的流通;
6)注意區(qū)分節(jié)點電壓與電阻兩端電壓的區(qū)別,并由此聯(lián)系到歐姆定律計算電壓的適用范圍。
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