1.3 電功率和焦耳定律

1.3.1 電功與電功率

1 電動

能量被定義為做功的能力。它以各種形式存在，包括電能、熱能、光能、機械能、化學能以及聲能等。電能是指電荷移動所承載的能量。

電能的轉換是在電流做功的過程中進行的。因此，電流做功所消耗電能的多少可以用電功來度量。電功的計算公式為

W=UIt

式中，U為電壓，單位為V；I為電流，單位為A；W為電功，單位為J；t為時間，單位為s。

日常生產和生活中，電功也常用度作為單位，家庭用電能表如圖1-8所示，是計量一段時間內家庭的所有電器耗電（電功）的綜合。1度=1kW · h。

我們日常生活中使用的電能主要來自其他形式能量的轉換，包括水能（水力發電）、熱能（火力發電）、原子能（原子能發電）、風能（風力發電）、化學能（電池）及光能（光電池、太陽電池等）等。電能也可轉換成其他所需的能量形式。它可以采用有線或無線的形式進行遠距離的傳輸。

2 電功率

功率是指做功的速率或者是利用能量的速率。電功率是指電流在電位時間內（s）所做的功，以字母“P”標識，即

P=W/t=UIt/t=UI

式中，U的單位為V；I的單位為A；P的單位為W。例如，圖1-9為電功率的計算案例。

電功率也常用千瓦（kW）、毫瓦（mW）來表示。例如，某電機的功率標識為2kW，表示其耗電功率為2kW。也有用馬力來表示的（非標準單位），它們之間的關系是

1kW=103W

1mW=10-3W

1馬力=0.735kW

1kW=1.36馬力

根據歐姆定律，電功率的表達式還可轉化為

由P=W/t=UIt/t=UI，U=I R，因此可得

P=I 2R

由P=W/t=UIt/t=UI，I=U/R，因此可得

P=U 2/R

由以上公式可看出：

1）當流過負載電阻的電流一定時，電功率與電阻值成正比。

2）當加在負載電阻兩端的電壓一定時，電功率與電阻值成反比。

大多數電力設備都標有電瓦數或額定功率。如電烤箱上標有220V 1200W字樣，則1200W為其額定電功率。額定電功率即是電氣設備安全正常工作的最大電功率。電氣設備正常工作時的最大電壓叫作額定電壓，例如AC 220V，即為交流220V供電的條件。在額定電壓下的電功率叫作額定功率。實際加在電氣設備兩端的電壓叫作實際電壓，在實際電壓下的電功率叫作實際功率。只有在實際電壓與額定電壓相等時，實際功率才等于額定功率。

在一個電路中，額定功率大的設備實際消耗功率不一定大，應由設備兩端實際電壓和流過設備的實際電流決定。

1.3.2 焦耳定律

把手靠近點亮了一段時間的白熾燈泡，就會感到燈泡發熱；電視機、計算機主機和顯示器，長時間工作后外殼會發熱，即導體中有電流通過時，導體就會發熱，這種現象叫作電流的熱效應。

我們知道燈泡和電線串聯在電路中，電流相同，燈泡發熱、發光，電線卻不怎么熱；相同的導線如果將燈泡換成大功率的電爐，電線將顯著發熱，甚至燒壞電線；電熨斗通電的時間過長，也會產生很多熱量，一不小心，就會燙壞衣料。這些都說明電流產生的熱量與導體的電阻、電流和通電時間有關。

英國物理學家焦耳做了大量的實驗后于1840年最先確定了電流產生的熱量與電流、電阻和通電時間的定量關系：電流通過導體產生的熱量與電流的二次方成正比，與導體電阻成正比，與通電時間成正比。這個規律叫作焦耳定律。

用I表示電流，R表示電阻，t為通電時間，Q表示熱量，焦耳定律可以表示為

Q=I 2Rt

電流的熱效應在生產和生活中應用廣泛。例如，電飯煲、電磁爐、電烙鐵、電熨斗、電暖氣等，如圖1-10a所示。這些電熱器具有熱效率高，調節溫度方便，清潔衛生等優點，給生產和生活提供了極大的便利。電流的熱效應也有不利的地方，比如電動機、電視機等工作時也會有熱量產生，如圖1-10b所示，這既浪費了電能，又可能在機器散熱較差時被燒毀。在遠距離輸電時，由于輸電線有電阻，不可避免地使一部分電能在輸電線上轉化為熱能而損失。所以無論是利用電流的熱效應，還是減小電流的熱效應，都需要掌握有關熱效應的規律。