电动机为什么不能用欧姆定律
初三的同学们应该都学习了焦耳定律的相关知识。焦耳定律具体表述为:电流通过导体所产生的热量与导体中的电流的二次方、导体的电阻以及通电时间均成正比。看到这一公式,或许有些同学会想到它是由欧姆定律和电功公式推导而来的。于是,大家可能会认为,在电路中,电流做功都是将电能转化为内能,那么焦耳定律是否就失去了其重要性呢?这时,我们的课本、老师以及参考书会引入两个新的概念来帮助我们理解,那就是“纯电阻电路”和“非纯电阻电路”。
所谓纯电阻电路,是指电能全部转化为内能的电路;而非纯电阻电路则是电能部分转化为内能,同时还有其他形式的能量转化(如机械能、化学能等)。值得注意的是,欧姆定律只适用于纯电阻电路。基于这一点:
对于纯电阻电路,电流、电压和电阻之间存在着简单的线。
非纯电阻电路的情况则更为复杂。以电动机为例,它是初中阶段最常见的非纯电阻电路。为什么电动机不能直接使用欧姆定律呢?
实际上,电动机并非完全不能使用欧姆定律。只是在初中阶段,我们更关注电动机的工作原理及其性能表现,而不是深入探究其内部的电流、电压和电阻关系。当我们学习了磁现象、磁场对电流的作用以及电磁感应现象后,就能更好地理解这一现象。
电动机工作时需要一个能够转动的线圈和磁场。通电的导线在磁场中会受到力的作用。如果我们给导体施加一个力使其受力平衡,那么导体就不会运动。如果我们撤去这个平衡力,让导体在磁场中受到的力无法被平衡,那么导体就会沿力的方向加速运动(老师通常会在课堂上做演示实验来让大家理解这个现象)。
对于学过电磁感应现象的同学们来说,当导体在磁场中做切割磁感线运动时,无论闭合回路中是否有其他电源,都会产生感应电流。在导体受到磁场力的作用并运动时,这种运动会使得导体切割磁感线,从而产生与原始电流方向相反的电流。这部分反向电流会抵消部分原始电流(也就是导体两端的电压)。导体中的实际电流会小于通过欧姆定律计算得到的电流。
经过仔细计算,我们发现,减去这部分反向电流后,恰好符合焦耳定律的表述。也就是说,在非纯电阻电路中,尤其是像电动机这样的设备中,电生的热量仍然遵循焦耳定律的规律。