电路故障会改变读数。题目会要你根据读数说出故障,或者预测某个指定故障的读数。题中的电路是低压的理想电路:电池或电源、电阻或灯泡,以及仪表。
本课是在纸面和屏幕上解释与推理,不提供任何市电接线操作的指示。如果真实的电器看起来有故障,请停止使用,并请有资格的电工处理。
两种主要故障是什么样子?
断路有一处断开。没有完整的通路,意味着电流为零。电压表接在断开处两端,读数是完整的电源电压;接在串联的正常元件两端,读数是 0 V。
短路是在某个元件两端并上一根低电阻的导线。电路的电阻下降,所以电流上升。被短路的元件两端约有 0 V。
计算时,用电势差、电阻与电路中的串联规则:总电阻是各电阻之和,每一部分通过的电流相同。你可以在电路推理模拟器中安全地试验这类电路。
例题
虚构的电路:一个 6 V 电池,串联 2 Ω 电阻 R₁ 和 4 Ω 电阻 R₂。
正常工作: R = 2 + 4 = 6 Ω。I = V ÷ R = 6 ÷ 6 = 1 A。R₁ 两端:1 × 2 = 2 V。R₂ 两端:1 × 4 = 4 V。两者相加为 6 V。
故障 A,R₂ 被导线短路。 现在只剩 R₁:R = 2 Ω,所以 I = 6 ÷ 2 = 3 A。R₁ 两端:3 × 2 = 6 V。R₂ 两端:0 V。
故障 B,R₂ 处的导线断开(断路)。 I = 0 A。R₁ 两端:0 × 2 = 0 V。电压表接在断开处两端,读数是 6 V。
用文字解释故障 A: “短路去掉了 R₂ 的电阻,所以总电阻从 6 Ω 降到 2 Ω。电源电压不变,因此电流从 1 A 升到 3 A。”
要留意的错误
常见的失误是以为元件两端电压表读数为 0 V,就表示电路里没有电流。
错误答案: “R₂ 两端的电压表读数是 0 V,所以电路断了。”
R₂ 两端读数为 0 V,也是短路时的结果,而那时电流更大,不是零。
纠正方法是同时检查电流表。
电流为零,而缺口两端是完整电压,表示断路。电流很大,而某元件两端电压为零,表示该元件被短路。始终要说明你用哪个读数作为证据。
自我检测
1. 12 V 电池串联 4 Ω 和 8 Ω 电阻。求正常电流,再求 8 Ω 电阻被短路后的电流。
显示答案
正常:R = 12 Ω,I = 12 ÷ 12 = 1 A。8 Ω 被短路:只剩 4 Ω,所以 I = 12 ÷ 4 = 3 A。
2. 在只有一盏灯的串联电路中,电流表读数为 0 A,灯两端的电压表读数为 6 V(电池 6 V)。故障是什么?
显示答案
灯(灯丝)断了,是断路。没有电流,整个 6 V 出现在缺口两端,这里的缺口就是灯。
3. 为什么短路在真实电器中可能很危险?
显示答案
它降低了电阻,使电流变得非常大。大电流会加热电线,可能造成过热。保险丝的作用是先一步断开电路。
接下来学什么
把故障推理和能量结合起来:检查用电能量计算中的单位换算,并回到概览页电能与安全解读。
读数会算,写成解释却卡住,是这一课的常见难点。线上一对一物理补习的老师会请你每写一个说法,就用数字验证一次。