第七節(jié) 電功與電功率

一、電功

電流通過電燈泡時，電燈泡會發(fā)光；電流通過電動機時，電動機會轉(zhuǎn)動；電流通過電爐時，電爐會發(fā)熱……這說明，電流通過不同的負(fù)載時，能將電能轉(zhuǎn)化為不同形式的能量。而能量的轉(zhuǎn)化必須通過做功來實現(xiàn)，可見，電流在通過負(fù)載時要做功。我們把電流通過負(fù)載時做的功，稱為電功或電能，用W表示。

實驗表明，如果加在一段電路兩端的電壓為U，電路中的電流為I，則在時間t內(nèi)電流所做的電功為

式中，U的單位是伏特（V）；I的單位是安培（A）；t的單位是秒（s）；電功W的單位是焦耳，簡稱焦，單位符號是J。

在實際應(yīng)用中，電功還有一個常用單位是千瓦時，單位符號是kW·h，俗稱度（電）。

1度（電）=1千瓦時=1kW·h=3.6×106J

也就是，一個1kW的用電器工作1h所消耗的電能為1度電。

對于純電阻電路，由于U=IR，，代入式（1-9）可得

注意，電流做功的過程實質(zhì)上就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過程。

電能用電能表（電度表）來進(jìn)行測量。電能表的外形結(jié)構(gòu)如圖1-16所示。

二、電功率

電功是衡量電流做功大小的物理量。但電流通過不同的用電器將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的快慢不一樣，即電流做功的快慢不一樣。為了表征電流做功的快慢程度，我們引入電功率這一物理量。

電流在單位時間內(nèi)所做的功叫做電功率，用P表示，公式為

式中，W為電流所做的功（即電能），單位是焦耳（J）；t為完成這些功所用的時間，單位是秒（s）；P為電功率，單位是瓦特，簡稱瓦，單位符號是W。

將W=IUt代入式（1-11）可得

對于純電阻電路，電能完全轉(zhuǎn)化為熱能，則電功率的公式可寫成

電功率常用功率表（瓦特表）來進(jìn)行測量。功率表的外形結(jié)構(gòu)如圖1-17所示。

觀察與思考

有人認(rèn)為電阻消耗的功率與電阻的大小成正比（P=I2R），但也有人認(rèn)為電阻消耗的功率與電阻成反比 ，哪一種看法正確？為什么？

三、功率的參考方向

為了便于對功率問題進(jìn)行分析，同樣，對功率也和電壓、電流一樣引入?yún)⒖挤较颉Ｒ话阌谩?”符號表示吸收功率（即P＞0），用“?”符號表示發(fā)出功率（即P＜0）。例如，對于蓄電瓶來說，如果它處于充電狀態(tài)，那么它是吸收能量的，實質(zhì)上是處于負(fù)載狀態(tài)的；如果它處于放電狀態(tài)，那么它是發(fā)出能量的，實質(zhì)上是處于電源狀態(tài)的。

應(yīng)當(dāng)強調(diào)指出以下兩點。①當(dāng)電流、電壓為關(guān)聯(lián)參考方向時，則式（1-12）定義電路或元件是吸收功率；當(dāng)P＞0時，表示電路或元件吸收功率；當(dāng)P＜0時，與定義相反，表示電路或元件發(fā)出功率。②當(dāng)電流、電壓為非關(guān)聯(lián)參考方向時，則式（1-12）定義電路或元件是發(fā)出功率；當(dāng)P＞0時，表示電路或元件發(fā)出功率；當(dāng)P＜0時，與定義相反，表示電路或元件吸收功率。例如，某電路或元件吸收功率5W，則也可認(rèn)為它發(fā)出功率?5W；同理，如果某電路或元件發(fā)出功率5W，也就可認(rèn)為它吸收功率?5W。

四、電流的熱效應(yīng)

大量例子表明，電流通過導(dǎo)體時會發(fā)熱，這種現(xiàn)象稱為電流的熱效應(yīng)。

實驗結(jié)果表明，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，與電流的平方、導(dǎo)體的電阻及通電時間成正比。這稱做焦耳定律。熱量用Q表示，其單位是焦耳（J）。用公式表示為

電流的熱效應(yīng)有利有弊。例如，電烙鐵、電爐、電烤箱等都是利用電流的熱效應(yīng)原理制成的。但電流的熱效應(yīng)也有不利的一面。例如，電流通過輸電線、電動機、變壓器時，不僅浪費電能，還會加速絕緣材料的老化，嚴(yán)重時會因溫度過高而燒壞設(shè)備，所以，在許多電氣設(shè)備中都采取了防護(hù)措施。例如，變壓器中的變壓器油就是起冷卻作用的，有的電動機里裝有風(fēng)扇，在計算機的主機里也裝有小型電風(fēng)扇，這都是為了加快散熱。

五、電氣設(shè)備的額定值

為了保證各種電氣設(shè)備能夠安全、正常地工作，各種電氣設(shè)備都規(guī)定有額定值。電氣設(shè)備長期安全工作時所允許的最大電壓、最大電流和最大功率分別叫做它們的額定電壓、額定電流和額定功率，分別用Ue、Ie、Pe表示。一般元器件和設(shè)備的額定值都標(biāo)注在其上面的明顯位置。例如，電燈泡上標(biāo)有220V/40W，電阻上標(biāo)有100Ω/2W等。電氣設(shè)備的額定值通常標(biāo)注在一塊小金屬牌（銘牌）上，固定在設(shè)備的外殼上，便于使用者觀察。

電氣設(shè)備在額定電壓下工作時，其消耗的功率正好是額定功率，電氣設(shè)備正常工作。此種狀態(tài)稱為滿載。

電氣設(shè)備在低于額定電壓下工作時，其消耗的功率小于額定功率，電氣設(shè)備不能得到充分利用或根本無法工作。此種狀態(tài)稱為輕載。

電氣設(shè)備在高于額定電壓下工作時，其消耗的功率大于額定功率，電氣設(shè)備很容易被燒壞或造成嚴(yán)重事故。此種狀態(tài)稱為過載。

輕載和過載都屬于不正常的工作狀態(tài)，一般是不允許出現(xiàn)的。

例題1-7 有一個額定值為100Ω/1W的電阻，使用時允許通過的最大電流是多少？此電阻能否接在15V的電源上使用？

解：由P=I2R得

由上可知，使用時允許通過的最大直流電流是100mA，電阻兩端允許加的最大直流電壓為10V，故不能直接接在15V的電源上使用。

例題1-8 額定電壓是220V、電阻為48.4Ω的電爐，它的額定功率是多少？正常工作30min，產(chǎn)生的熱量是多少？

解：電爐是電阻性負(fù)載，所以額定功率為

由焦耳定律得

觀察與思考

白熾燈泡的燈絲燒斷后若能想辦法重新搭上，會發(fā)現(xiàn)電燈泡比原來更亮了。這是為什么？