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高中物理
第九章 电学
电功、电功率 电热、热功率
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2025-05-24 09:19
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电功、电功率 电热、热功率
## 电源电动势和内阻的测量 21 世纪以来,电池工艺日新月异,一些实验室在研制柔性纺织电池 ,它不仅可以提供电能,同时还可以像普通的棉布一样柔韧。未来有望突破可穿戴产品的技术障碍,打开可穿戴智能电器和智能布料的大门。我们日常使用的干电池、蓄电池等电源,有两个标志其特性的重要参数——电动势和内阻。 ## 电源电动势和内阻如何测量? 在一个闭合电路中,电源电动势、外电阻和内电阻等物理量取决于电源和用电器的性质,与电路是否工作无关;而电流、外电压和内电压等物理量则反映了电路的工作状态。 这六个物理量通过部分电路欧姆定律和闭合电路欧姆定律相互联系,从而使我们可以有很多种测量电源电动势和内阻的方法。 电源电动势 E、内电阻 r 与外电压 U、电流 I 的关系可以写成 E = U + Ir 如果能测出 U、I 的两组数据,就可以列出两个关于 E、r 的方程,联立求解可得 E 和 r。因此,用一个滑动变阻器,加上测量电压、电流的仪器,就能测定电源的电动势 E 和内阻 r,如图10–50 所示。 {width=300px} 图 10–50 伏安法测电源的电动势和内阻 如果用电器需要比较高的电压和比较大的电流,一个电池不能符合要求时,往往需要把几个相同的电池连接起来组成电池组。例如,家电遥控器内通常用两节干电池作为电源。如图 10–52 所示的上海浦东机场屋顶太阳能电池板,由很多“ 晶片” 连接在一起。许多“ 太阳能电池板” 连接在一起组成“ 太阳能电池阵” ,也是一种电池组。 ## 电池如何连接成电池组? 如图 10–53 所示,依次将电池的正极和其他电池的负极相连,就组成了串联电池组。如果串联电池组是由 n 个相同的电池串联而成的,且每个电池的电动势都为 E,内阻都为 r,则串联电池组的电动势和内阻为 E串 = nE r串 = nr 当用电器的额定电压高于单个电池时,可以采用串联电池组供电,但是用电器的最大工作电流必须小于每个电池允许通过的最大电流。 {width=300px} 图 10–53 串联电池组 如图 10–54 所示,把所有电池的正极连接在一起,成为电池组的正极;把所有电池的负极连接在一起,成为电池组的负极,就组成并联电池组。如果并联电池组由 n 个相同的电池并联而成,且每个电池的电动势都为 E,内阻都为 r,则并联电池组的电动势和内阻 {width=300px} 图 10–54 并联电池组 E 并 = E r 并 = r/n 并联电池组能提供较大的电流,因为每个电池中通过的电流只是总电流的一部分,所以当用电器的工作电流大于单个电池允许通过的最大电流时,就可以用并联电池组作为电源。 ## 电功、电功率及焦耳定律 用电器可以把电能转化成各种其他形式的能。电熨斗(图 10–60)、电热毯、电饭煲和工业上用来冶炼钢铁的电弧炉,主要把电能转化成内能;洗衣机、电车主要把电能转化成机械能;电解池、电镀装置主要把电能转化成化学能。我们知道,从一种形式的能转化成另一种形式的能的过程需要做功。电能转化成其他形式的能的过程实际上就是电流做功的过程。 ## 什么是电功? 我们把电流所做的功叫做电功(electric work)。电流做了多少功就表示有多少电能转化成其他形式的能。 电功实质上是导体中的电场对自由电荷的作用力做的功。设通过导体的恒定电流为 I,导体两端的电压为 U,则在时间 t 内电流通过这段导体的电荷量为 q = It,电场力对电荷所做的功为 W = qU = UIt 电功的单位是焦耳,简称焦,符号是
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