热量(Joule)的公制单位,简称"焦",是为了纪念英国着名物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳而创立的。
焦耳定律
焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电的时间成正比。焦耳定律数学表达式:Q=I2Rt(适用于所有电路);对于纯电阻电路可推导出:Q=W=Pt;Q=UIt;Q=(U^2/R)t
焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电的时间成正比。焦耳定律数学表达式:Q=I2Rt(适用于所有电路);对于纯电阻电路可推导出:Q=W=Pt;Q=UIt;Q=(U^2/R)t
定义
焦耳焦耳
电流通过导体时会产生热量,这叫做电流的热效应,而电热器是利用电流的热效应来加热的设备,电炉、电烙铁、电熨斗、电饭锅、电烤炉等都是常见电热器。电热器的主要组成
电流的热效应
部分是发热体,发热体是由电阻率大,熔点高的电阻丝绕在绝缘材料上制成。
焦耳定律规定:电流通过导体所产生的热量和导体的电阻成正比,和通过导体的电流的平方成正比,和通电时间成正比。该定律是英国科学家焦耳于1841年发现的。焦耳定律是一个实验定律,它可以对任何导体来适用,范围很广,所有的电路都能使用。遇到电流热效应的问题时,例如要计算电流通过某一电路时放出热量;比较某段电路或导体放出热量的多少,即从电流热效应角度考虑对电路的要求时,都可以使用焦耳定律。公式如下:
其中Q指热量,单位是焦耳(J),I指电流,单位是安培(A),R指电阻,单位是欧姆(Ω),t指时间,单位是秒(s),以上单位全部用的是国际单位制中的单位。
变形和推导
对于纯电阻电路而言
当电流所做的功全部产生热量,即电能全部转化为内能[也叫热能],该电路为纯电阻电路,这时有:
根据电功的公式,我们有【U指电压,单位是伏特(V)】:
或者根据欧姆定律(欧姆定律本身只在纯电阻电路中成立),我们有:
类似白炽灯,电炉丝,电热水器这样就属于上述情况。
对于非纯电阻电路而言
对于非纯电阻电路而言,用得最多的还是焦耳定律的一般形式,不能用上面纯电阻中的两个公式(因为①欧姆定律只在纯电阻电路中成立;②其电能不是全部做功转化为内能,不能用电功的公式。
而对于其电功率和热量比较而言,我们有:
对于任何电路而言
除了焦耳定律的一般式外,我们还可以根据公式I=q/t【q表示电荷量,单位是库仑(C)】对公式进行变形(适用于所有电路):
在串联电路中,由于通过导体的电流相等,通电时间也相等,根据焦耳定律可知电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成正比。
在并联电路中,由于导体两端的电压相等,通电时间也相等,根据焦耳定律可知电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成反比。
使用
从焦耳定律公式可知,电流通过导体产生的热量跟电流强度的平方成正比、跟导体的电阻成正比、跟通电时间成正比。若电流做的功全部用来产生热量。即W=UIt。根据欧姆定律,有W=I2Rt。
需要说明的是W=(U^2/R)t是从欧姆定律推导出来的,只能在电流所做功将电能全部转化为热能的条件下才成立(纯电阻电路)。例如对电炉、电烙铁这类用电器,这两公式和焦耳定律才是等效的。
使用焦耳定律公式进行计算时,公式中的各物理量要对应于同一导体或同一段电路,与欧姆定律使用时的对应关系相同。当题目中出现几个物理量时,应将它们加上角码,以示区别。
注意:W=I2Rt=Pt适用于所有电路,而W=UIt=(U^2/R)t只用于纯电阻电路(全部用于发热)。
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