电路与水路

前言

还记得最早学习电路的时候,一般把电路类比成水路。电流类比为水流,电压类比水压。既然电路可以类比水路,那么电路和水路基本原理应该是近似的。然而笔者遇到一个问题,就是并联的暖气片为什么有的热有的不热呢?电路可以类比水路,反过来水路也可以类比电路,暖气片并联,相同的暖气片应该一样热才对 ,而实际结果是并联的暖气片第一个最热,越往后越凉。是类比有问题吗?问题出在哪了?

电路和水路结构分析

下图是家庭电路和暖气结构示意图。电路不用多说,大家都知道,所有用电器并联,所有用电器上的电压相同,所以无论电器插在哪个插座,都可以正常工作。 暖气也采取并联,为什么就第一个暖气片最热呢?电路无非是电子的通路,难道电子就比水特殊? 我们分析一下水路,既然第一个热,类比电路,第一个暖气片进水管和出水管两端的水压差应该大,其他的压差小。否则,同样的压力,暖气片应该同样热。后面的暖气片上的压力依次降低。于是,越靠后的暖气片越凉。为什么会这样呢?并联电路电压相同,为什么并联水路水压不同呢?首先分析静水的情况,如果暖气片内水不流动,那按压强公式,高度相同的位置水压相同。水流动起来,就有些不一样了。

首先我们看一下电路的阻抗(电阻、感抗、容抗的和,此处讨论可以简单等价为电阻)等效电路,这个初中生都能明白。

电阻等效电路

水路能否也能这样等效呢?不能!为什么呢? 原因是导线的电阻很小,所以电路中并联的电器的电压差是可以忽略不计的,只需考虑电器本身的阻抗。而水路就不太一样了。暖气片体积挺大,不加思索就会类比为电阻,其实不对,问题的关键就在这里。 暖气片为了散热,体积做的很大,实际上是增大了水流的口径,口径变大,水阻(管道对水的综合阻碍作用,我称之为水阻)也就比管道的水阻小。电路的阻抗在电器上,而水路的水阻在管道上

水阻等效水路

等效水阻如下图

因此,越靠前的暖气片两端的水压越大,越往后管道上分担水压越大,暖气片两端压力越小,这就解释了为什么越靠前的暖气片越热。就像第一个暖气片把后面的短路了。

总结

水路和电路基本是可以类比,但是有些细节需要注意。水管不能类比导线,而应该类比电阻。暖气片不能类比用电器,而是应该类比导线。明白这些之后,我们就知道如何解决暖气片不热的问题了。靠前的暖气片应该调小阀门,增大水阻,后面的暖气片才能有更大一些的水压。