解读焦耳定律

家用电器如电风扇、电视机，连续使用较长时间后，要停一会儿，特别在炎热的夏天；而如果这些用电器长期停止使用，则隔一段时间应该通电一次，特别是在潮湿的天气.为什么要这样做呢？各种用电器里都有导体，只要有电流通过导体，就要发热.连续使用较长时间后，要停一会儿，是为了散热，防止用电器的温度过高而烧坏元器件；潮湿会降低绝缘性能，使电路工作失常，影响电器的使用，所以用电器长期停止使用，隔一段时间应该通电一次，利用电热来驱潮.电热对人们既有积极的一面，也有消极的一面.

（一） 实验探究：影响电热的因素

由于电流通过导体产生的热量可能与许多因素有关，如电阻、电流、电压、时间等，我们设计了图1所示的电路图.由电路图可知：电阻丝的电阻是定值，根据欧姆定律，当通过电阻丝的电流增大时，电阻丝两端的电压也在成正比例增大，所以在实验中我们只需探究电流与电热的关系即可.

1. 探究电阻对电热的影响

利用图1所示电路图，把长度、横截面积相同的锰铜丝和镍铬丝分别绕成外形相同的电阻丝串联，这样通过电阻丝的电流相同，然后在电阻丝上插上两根相同的火柴头.由于镍铬丝的电阻大，实验发现，镍铬丝绕成的电阻丝上的火柴先燃烧起来.这证明在电流和通电时间相同时，阻值较大的电阻产生的热量较多.

2. 探究电流对电热的影响

根据电路图，调节滑动变阻器，电路中的电流增大，则发现夹在同一电阻圈中的火柴点燃的时间变短.这说明在电阻相同时，电流增大，相同时间内电阻产生的热量增多.

3. 探究通电时间对电热的影响

在电阻和电流的大小不变时，通电时间越长，火柴越容易被点燃，产生的热量就多.

由上述实验得出：电流通过电阻时产生的热量与导体本身的电阻、通过导体的电流以及通电时间有关.

（二） 焦耳定律

1837年，焦耳在他父亲的工厂里装配了用电池驱动的电动机，并对它进行了多方面的实验测试.在测试中焦耳注意到电动机和电路中的发热现象，他想到这和机器中的摩擦生热一样，都是动力损失的原因，这促使他对电流的热效应进行定量研究.如图2所示，他在玻璃烧瓶中装入水银，以强弱不同的电流，测定一定时间内相应的温度变化，从而发现了导体的发热量与电流强度的平方成正比.他又利用不同尺寸的导体进行实验，发现一定的电流在一定的时间内产生的热量与导体的电阻成正比.他在1840年写出的《论伏打电所产生的热》的论文中，得出了“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方和导体的电阻的乘积成正比”的结论.他的研究不仅定量解释了电流通过导体所产生的热量，还为后面的热功当量的测量及能量守恒原理的确定奠定了坚实的实验基础.

电流通过发热体元件（纯电阻电路）时，如电流通过电炉、电烙铁、电饭锅等时电能几乎全部转化成内能，这时电流所做的功可以看作等于所产生的热量，即Q=W=UIt，根据欧姆定律U=IR，可得Q=I2Rt.这就是著名的焦耳定律.在通常情况下，电流所产生的热量仅是电流所做功的一部分，所以电热小于电功.

例1电吹风的工作原理图如图3所示，请分析其工作原理.

解电吹风接通电源后，若只闭合开关S1，那么电吹风中电动机开始工作，带动风扇转动，产生风，这时大部分电能被转化为风扇的动能，仅有少量的电能转化为内能.

若同时闭合开关S1、S2，那么电吹风就产生了热风，这时电流所做的功一部分通过电动机转化为动能，另一部分通过电热丝转化为内能.

例2电动机正常工作时线圈两端的电压为380V，线圈电阻为2Ω，线圈中电流为10A，则电动机正常工作1s消耗的电能W、产生的热量Q分别是多少？有多少电能转化为机械能？

解因为电动机工作时属非纯电阻电路，所以电流所做的功与电流产生的热量不相等. 即W≠Q，原因是在非发热体元件中，欧姆定律并不成立.

电动机消耗电能W = UIt = 380V×10A×1s =3800J，

电动机产生的热量Q = I2Rt =（10A）2 ×2Ω×1s =200J，

机械能W- Q = 3800J-200J =3600J.

在日常生活中，电流的热效应用很广泛，有电暖器、电饭锅、电热毯、电水壶、电炉等.

例3某“220V1100W”CFXB型电饭煲有两挡开关，其原理图如图4所示，“2”挡是高温烧煮，“1”挡是焖饭、保温.当开关S与接线柱2相连时，电路的功率为1100W；当开关S与接线柱1相连时，电路的总功率为22W.求：

（1） 串联电阻R的阻值；（2） 开关在“1”挡时，R的功率.

解（1） S2时，由P=U2/R得

R0=U2/P=(220V)2/1100W=44Ω；

S1时，由P总=U2/R总，得

R总=U2/R总==(220V)2/22W=2200Ω.

R=R总-R0=2200Ω-44Ω=2156Ω.

（2） P=I2R=(2200V/2000Ω)2×2156Ω=21.56W.

例4新型发热材料――PTC（如图5所示），是一种新型的半导体陶瓷材料.它以钛酸钡为主，掺入多种物质后加工而成，目前家用的陶瓷暖风器、陶瓷电热水壶等就是用这种材料做成的.

解其工作原理是：PTC有一个人为的设定温度，低于这个温度时，其电阻值随温度升高而变小；高于这个温度时，电阻值则随温度升高而变大.取暖器通电后，PTC的温度高于设定温度时，机内风扇将室内冷空气吹向PTC和散热片，冷空气变为热空气而流出，同时PTC温度下降，电阻变小，电功率和发热量增加，直到发热量跟散热量相等，达到平衡状态.室温升高时，散热量减少，PTC温度上升，电阻变大，电功率和发热量减小，达到新的平衡.因此，PTC取暖器具有自动调节输入、输出功率的作用.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。