问题

为什么用电器短路时经过用电器的电流非常小以至于用电器不正常工作?

回答
你这个问题很有意思,其实它触及到我们理解电路工作原理的核心。我们不妨从头说起。

想象一下,一个普通的家用电路,就像一条有规律的河流。电流是水流,导线是河道,而用电器,比如一个灯泡,就是一个小小的水车。当电流顺畅地流过灯泡时,灯泡就会被点亮,就像水流驱动水车正常转动一样。

现在,我们来说说“短路”。短路,顾名思义,就是电流找到了一条“近路”,而且这条近路几乎没有任何阻碍。在电路中,我们通常有火线和零线(或者说电源的正负极)。正常情况下,电流要通过用电器(水车)才能回到电源。用电器本身是有电阻的,就像水车叶片会阻碍水流一样,正是这种阻碍,使得水流(电流)在通过用电器时被“驯服”,并且转化为我们需要的能量——比如灯泡发光,电机转动。

然而,短路发生了,就像在河道旁边突然挖了一条几乎直达大海的、宽阔且没有障碍的运河。这时候,大部分水流(电流)会选择这条最容易走的近路,而很少甚至完全不流过原来的水车(用电器)。

为什么这条近路会让电流“非常小”呢?这里可能有点小小的误会。恰恰相反,用电器短路时,经过用电器的电流并不是“非常小”,而是会变得“非常大”! 这一点非常重要,而且是造成危险的关键。

让我们重新审视一下。电流的大小,我们通常用欧姆定律来描述:电流(I)等于电压(U)除以电阻(R),也就是 I = U/R。

在正常的电路中,用电器是有一定电阻的。我们使用的电器的电阻被设计得恰到好处,能让电流在安全且有效的大小范围内流动,从而驱动用电器工作。

当发生短路时,意味着火线和零线(或者正负极)之间,在几乎没有经过任何有显著电阻的“阻碍”的情况下直接连接起来了。你可以想象成,本来要经过一个水车才能流到的地方,现在火线和零线之间,好比是被硬生生地用一根极其粗壮、阻力几乎为零的导管直接连通了。

那么,根据欧姆定律 I = U/R,当电阻 R 变得非常非常小,趋近于零时,即使电压 U 保持不变,这个计算出来的电流 I 会变得怎么样呢?答案是:电流会急剧增大,远远超过用电器正常工作时所需的电流,甚至会超过导线所能承受的范围。

所以,你看到的“经过用电器的电流非常小以至于用电器不正常工作”的情况,可能描述的是另一种情况,比如:

1. 用电器内部断路(开路): 就像水车的水管突然破了一个大洞,水流(电流)无法通过水车,甚至完全断开了。这时候,电流确实会因为路径中断而非常小,用电器自然不工作。
2. 接触不良: 用电器与电路连接处,比如插头松动,导致接触电阻变得很大。这相当于河道突然变得很窄,水流(电流)通过时会受到很大的阻碍,流量(电流)自然就变小了。

回到短路本身:

短路时,是电流变得巨大,而不是变小。正是这种极大的电流,会带来危险:

发热: 大电流通过导线时,会产生大量的热量,就像摩擦生火一样。这会迅速升高导线的温度,甚至可能熔化导线绝缘层,引发火灾。
烧毁用电器: 如此巨大的电流,远远超出了用电器的承受能力,会瞬间烧毁用电器内部的精密元件。
损坏电源: 极大的电流也会对电源本身造成损害。

因此,我们家中安装保险丝或者空气开关,就是为了应对这种情况。它们的作用就是在电流过大时(也就是发生短路时),迅速断开电路,保护整个用电系统的安全。当保险丝烧断或空气开关跳闸时,电路就被切断了,电流自然就停止流动了。

所以,简而言之,用电器短路时,真正的危险在于电流会变得非常非常大,而不是小。而你所描述的“电流非常小以至于用电器不正常工作”,更像是电路“开路”或者“接触不良”的现象。

网友意见

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电气工程专业三年级哈士奇路过

题主说的电路应该是这样的

让我们合上灯的开关,毫无疑问,灯亮了。关门,放图:

然后题主丧心病狂的把下面的那个开关也给闭合了。(不要重复!不要重复!不要重复!实验室重复本实验你会被实验老师骂死的同时赔掉一个恒压源!)

于是题主惊奇的发现电路理论给出的现象和事实不同。谁都知道,下面一个开关闭合的同时就把灯短路了,灯应该灭掉才对。

实践是检验真理的唯一标准。
——某人

当理论和实践出现矛盾的时候,你应该跟我一样大声的说,愚蠢的地球人,修改理论吧!!!

在题主的理论体系中,我们看到电压源具有这样的一个特点:

这是个恒压源,也就是说,电源两端不管是否输出电流,电源始终保持100V的电压。

很明显地球人的理论和地球人做实验的时候,用的元件是不同的。

最简单的例子,地球人理论里面用了大量没有电阻的导线,可是地球人的实验用导线都是有电阻的。超导体研究了那么多年,目测刚摸到门把手。

同样的道理,地球人理论中,电源都是没有内阻的。可是实际上电源是有内阻的,因为内阻的存在,理论中金刚不坏的电灯泡萎掉了。

现在我们来仿真带内阻的电源。关门,放图:

现在题主合上了电键(开关)S1,发现灯亮了。

然后题主就像在题目中描述的那样,闭合电键(开关)S3:

(不要实物重复本实验!不要实物重复本实验!不要实物重复本实验!理由同上!这一次除了你烧掉一个电压源之外还搭上了一个小电阻!)

灯萎掉了。

问题的答案就在这里:因为真实的电源有内阻,所以在理论中能够继续工作的用电器在被短路后无法工作了。

现在,我们继续分析灯灭掉的原因。

我们在电路中的灯两端接入电压表,在灯的支路和电源的干路上接入电流表,继续放图:

然后闭合电键S1:

大概的能够发现,电灯两端的电流是1A,电压接近100V,也就是题主理论中计算出的值。而偏差的那些,就是由于题主理论中没有电源内阻的原因。

考虑内阻之后,灯泡两端电压大概是95V,跟额定电压差不多。所以灯亮了。

然后题主丧心病狂的又一次闭合了电键S3:

就成了这个样子,灯两端的电压20nV,流过电流2nA,这灯要是还能亮那才是活见鬼了。

并不是因为但是我们看到,电源输出的电流不但没有减小,而且还增加了20倍。只不过这一次,20安培的电流全都从下面流走了,电流也是偷懒的,能不做功就不做功,从灯上走还要发光,多烦躁。

所以,电源电压全都落在内阻上了。如果你学过焦耳定律,那么很明显,一会这电源就该冒烟了。

所以实验室里,绝对不允许电源短接。No Zuo NO DIE!

最后在仿真一张图:如果题主那样的电源,没有内阻的时候短接会怎样呐?

导线并不能把电灯两端拉成等势体,灯两端仍然有90V的电压。电流也接近1A。

而短路的那个开关S3两端,也有90V的电压,但是电流已经大到无法描述的地步。

最后在一次警告:

不要在实验室重复本实验!不要在实验室重复本实验!不要在实验室重复本实验~~

这一次你除了烧掉一个电源之外,一定还会买一赠一的毁掉一个电流表,此言童叟无欺如假包换。

嗯,我是不是应该发个多图预警?Orz

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