第四章  电能
【概念与规律】
一、电能的获得和转化
1．发电机：是一种把机械能转化为电能的装置。
发电机的原理：根据电磁感应原理设计制造的。在外力带动下，让发电机的转子在磁场中连续做切割磁感线运动，由于电磁感应，发电机的转子线圈中就能产生感应电流。
2．安培力：通电导体在磁场中受到的作用力。
安培力的大小：既跟磁场强弱、电流大小以及在磁场中的导体长度都成正比，还与磁场方向和电流方向的夹角大小有关。
安培力的方向：与磁场方向、电流方向有关，可用左手定则来判断。
3．直流电动机（DC electric motor）：使用直流电源供电，把电能转化为机械能的装置。
直流电动机的原理：直流电动机是利用通电线圈在磁场中受力而转动的原理设计制造的。
换向器作用：每当线圈转到平衡位置时，切断通入线圈的电流，线圈利用惯性转过平衡位置后，立即改变通入线圈的电流方向，使线圈向同一个方向连续转动。
直流电动机的特点：结构简单（主要部件：电枢线圈—— 转子，换向器、电刷、产生磁场的定子），起动快（只要用开关接通电源），倒转、变速方便（利用倒顺开关改变电流方向就能改变转动方向，改变通入的电流大小就能改变转动速度，切断电源，就停止转动）。
4．电流热效应及其应用：
电流的热效应：电流通过导体时，导体会发热的现象叫做电流的热效应。这是电能转化为内能的过程。
电流热效应的应用：照明用的白炽灯、炼钢用的高温电炉、家用的电烤箱、电饭煲、电热毯、电熨斗、电热水器、电热取暖器等各种电热设备。
5．电流的化学效应：
电流的化学效应：当电流通过导电溶液时，在两个电极发生化学反应，这种现象叫做电流的化学效应，又叫做电解。电流的化学效应中，存在着电能和化学能的转化。
电流化学效应的应用：蓄电池的充电，电解炼铜、炼铝，电镀等。
二、电能的量度
1．电功：
（1）电功的概念：电流所做的功，简称电功。电流做功的过程就是电能和其他形式能的转化过程，电流做了多少功，就有多少电能发生了转化。电功就是用来量度转化的电能的多少。
（2）电功的计算：电流在某段电路上做的功等于该电路两端的电压、电路中的电流和通电时间的乘积。公式为：W =UIt
（3）公式中，电压U的单位是伏（V），电流强度I 的单位是安（A），时间t 的单位是秒（s），电功W的单位是焦（J）。
（4）焦（J）这个单位很小，在工业生产和家庭用电中常用“千瓦时”（KW•h）作为单位，俗称“度”，1度=1千瓦时（KW•h）=1000瓦（W）× 3600（s）=3.6 ×106焦（J）
2．电功率（electric power）：
（1）意义：用来描述电流做功的快慢，即表示电能转化的快慢。
（2）定义：电流在单位时间内所做的功，叫做电功。
    （3）计算公式：P = UI
（4）公式中，电压U的单位是伏（V），电流强度I 的单位是安（A），电功率P的单位是瓦（W）。常用的电功率单位还有千瓦（KW），兆瓦（MW）。1兆瓦（MW）=103千瓦（KW）=106瓦（W）。
3．用电器的额定功率（rated power）：
（1）额定电压：用电器能够正常工作的电压。
（2）额定功率：用电器在额定电压下工作时消耗的电功率，叫做额定功率。当用电器两端的实际电压高于或低于额定电压时，则用电器的实际功率也将高于或低于其额定功率。
4．电能表：用来测量在一段时间里电流所做的功，它能累计记录在一段时间内该电路中电流所做的功，即用来测量所转化的电能的多少。电能表上月初和月底显示的两次读数之差，就是这个月该家庭电路所消耗的电能。所用的单位是千瓦时（KWh），俗称“度”。
5．家庭电路：
（1）家庭电路的基本组成：进户线和连接导线电能表，闸刀开关和熔丝盒，插座，灯座和开关。如图4.1所示。
（2）相线和零线：家庭电路供电电线有两根，其中一根叫做相线，俗称火线，另一根叫做零线，零线在线网处（或电网的电源端）是接地的。我国家庭电路相线与零线之间的电压是220V，零线和地之间的电压为零，所以相线与在之间的电压也为220V。
（3）辨别相线和零线可以用测电笔。
（4）熔丝（保险丝）的作用：当电路中的电流过大，超过一定限度时，因熔丝的熔点低，它首先熔断、切断电路，从而起到保护电路和电能表的作用。熔丝线径越大，熔断电流越大，熔丝熔断电流的大小一般跟配用的电能表允许通过的最大电流相适应。
6．安全用电
（1）灯与干路的连接：必须做到相线进开关，零线进灯座，再连通开关和灯座。
（2）二孔插座的连接：应使右边插孔与相线相连，左边插孔与零线相连。
三孔插座的连接：除应使右边插孔与相线相连，左边插孔与零线相连外，上边的插孔应是接地的。（连接口诀：左零右火上接地）
（3）测电笔的使用：手触笔尾金属体，笔尖金属体接触被测电线，若氖管发光，则为相线，不发光的为零线。
（4）防止触电事故的发生：必须避免人体直接与相线接触，严禁带电检修电器，不要在输电线附近放风筝，不要用湿布揩拭电器，不要用湿手操作电气开关，切不可用手去拉触电者，切不要靠近高压电线。
【启迪与拓展】
例1  如图4.3所示的三个模型示意图中，表示直流发电机、交流发电机和直流电动机的分别是哪个？
   
分析：
在构造上直流发电机和直流电动机没有多大区别，要区分它们，可根据其工作原理和外电路的情况进行判断。要区分直流发电机和交流发电机，应看发电机对外输出的电流方向是否改变，可从其构造中是否有换向器来判断。
    答：发电机是根据电磁感应的原理工作的，当线圈在磁场中作切割磁感线运动时，就向外电路输出电流；电动机是根据通电线圈在磁场中受力转动的原理制成的，必须给线圈通电，它才会转动。椐此判断，可知图中的（A）因为与电源相连，所以是直流电动机；（B）和（C）因为在向外电路输出电流，应是发电机，其中（C）有换向器，是直流发电机，（B）是交流发电机。
例2  一个家用电热器，在电压为220V的照明电路上使用，电热器发热体的电阻丝的电阻是484Ω，求这个电热器每分钟能将多少电能转化成热能？这个电热器的电功率多大？
分析：
电热器做了多少功就有多少电能转化为热能，计算出电流通过电热器做了多少功，就知道有多少电能转化成热能。计算电功的公式是W ＝UIt，但本题只给出了电压U、电阻R和通电时
间t，没有给出电流I，所以不能直接用这个公式来计算，须进行公式推导：W＝UIT＝U2t/R。对电功率，可用公式P=W/t来计算，也可直接用P=U2/R来计算。
解：每分钟转化成热能的电能：W＝U2t/R＝(220V)2×60s/484Ω＝6000J
特斯拉涡轮机这个电热器的电功率：P＝U2/R＝(220V)2/484Ω＝100W
答：这个电热器每分钟能将6000 J电能转化成热能；这个电热器的电功率为100W。
例3  一只家用的灯泡，标有“PZ220—40”的字样，求：
（1）正常发光时，灯泡的电阻；
（2）正常发光时，通过灯泡的电流；
（3）1度电可供这个灯泡正常发光几小时？
（4）若实际电压只有200V，则这个灯泡的实际功率为多大？灯泡发光的情况如何变化？此时灯泡的额定功率为多大。
分析：
灯泡上“PZ220—40”字样的意思如下：PZ表示普通照明灯泡，220表示这个灯泡的额定电压是220V，40表示这个灯泡的额定功率是40W。
本题只给出了灯泡的额定电压U额 和额定功率P额 ，却要求出灯泡的电阻R、正常发光时的电流I等多个量。显然，都没有现成的公式可直接用来计算，为此，都得从现有的公式出发，推导出对应的计算公式。
首先，可由公式P额 ＝U额I额变形得到计算电流的公式：I额＝P额 /U额；推导出计算电阻的公式：R＝ U额2/P额；实际功率的公式：P实＝(U实/U额)2×P额。
求1度电可供灯泡正常发光的时间，可由公式P＝W/t变形得到：t＝W/P。
必须注意，灯泡的实际功率会随实际电压的变化而变化，灯泡的额定功率则是灯泡正常发光时的功率，是技术上的一个数值，不随实际电压改变而改变。
    解：（1）灯泡的电阻：R＝ U额2/P额＝(220V)2/40W＝1210Ω；
（2）正常发光时，通过灯泡的电流：I额＝P额 /U额＝40W/220V＝0.18A；
（3）1度电可共这个灯泡正常发光的时间t＝W/P额＝1kWh/0.04kW＝25h；
  （4）这个灯泡的实际功率：P实＝(U实/U额)2×P额＝(200V/220V)2×40W＝33W。
由于灯泡的实际功率小于额定功率，所以灯泡亮度变暗。一个灯泡的额定功率不会发生变化，仍然是40W。
    例4  有两个电阻R1和R2，已知它们在某电路中串联时，R1和R2上消耗的电功率之比为3∶2，若将R1和R2并联起来接入这电路，则R1和R2上的电功率之比为多大？
分析：
本题可先根据串联电路中用电器的电功率之比等于用电器的电阻之比，从而知道R1和R2这两个电阻之比，再用并联电路中用电器的电功率之比等于用电器的电阻之反比的关系来求解。
    解：在串联电路中：P1:P2＝I2R1:I2R2＝R1:R2＝3:2
在并联电路中：P1’:P2’＝（U2/R1）: (U2/R2)＝R2:R1＝2:3
答：将R1和R2并联起来接入这电路，则R1和R2上的电功率之比为2∶3。
例5  在使用电烙铁时，若中间有较长时间搁置待用，烙铁头会因高温氧化而不沾锡，且浪费了电，若在搁置待用时切断电源，要用时再连通电源，则因电烙铁热起来到能熔化锡的温度，需要较长的预热时间，这样做，不但不方便，而且同样浪费电。通过学习，小明设计了如图4.4的电路，在暂时不需要焊接时将S断开，使电烙铁处于预热状态；需要焊接时将S闭合，电烙铁就能很快达到焊接温度。已知电烙铁上标有“220V100W”字样，电灯泡上标有“PZ220—25”字样（不考虑温度对电烙铁和灯泡的电阻的影响）。若将这个电路接入家庭电路，求S闭合和S断开时，电烙铁的实际功率。
分析：
S闭合时，灯L被短路，电烙铁直接连在电压为220V的家庭电路上，电烙铁正常工作，此时
的实际功率就是额定功率，无需计算；S断开时，电烙铁与灯L串联，可先分别求出电烙铁和灯L的电阻，再求出串联电路的电流，然后用公式P=I2R来计算电烙铁的实际功率。