1841年,英国物理学家
焦耳发现电流通过导体时可以产生热量,这种热量叫做焦耳热(Joule heat),单位为
焦耳(J)。
定义1
纯电阻电路
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:Q=I2Rt
根据
电功的公式,我们有【U指
电压,单位是
伏特(V)】:Q=UIt
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:Q=U2t/R
非纯电阻电路
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:
②其
电能不是全部做功转化为
内能,不能用电功的公式。
任何电路
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。
定义2
此定义为焦耳热的微分定义。在导电媒质中,电场对单位体积提供的功率以热的形式作为焦耳热消耗在导电媒质的电阻上。
计算公式:
p为热功率,dp为功率元,dV为导电媒质的体积元,dW为热功元,dt为时间元,dF为电场力矢量元,dl为电荷在电场力的方向上通过距离的长度元,dq为电荷元,为电荷密度,E为电场强度矢量,v为电荷移动速度,J为电流体密度矢量。
性质
1841年,英国物理学家
焦耳发现
载流导体中产生的热量Q(称为焦耳热)与电流 I 的平方、
导体的电阻R、通电时间t成正比,这个规律叫
焦耳定律。
采用
国际单位制,其表达式为Q=I^2xRt或
热功率P=I^2xR其中Q、I、R、t、P各量的单位依次为焦耳、安培、欧姆、秒和瓦特。
焦耳定律是设计电照明,电热设备及计算各种电气设备
温升的重要公式。
在串联电路中,电流是相等的,则电阻越大时,产生的热越多.
焦耳定律在并联电路中的运用:
在并联电路中,电压是相等的,通过变形公式,W=Q=PT=U2/RT.当U定时,R越大则Q越小.
需要注明的是,
焦耳定律与
电功公式W=UIt只适用于
纯电阻电路,即只有在像
电热器这样的电路中才可用Q=W=UIt=I^2Rt=U^2t/R。
另外,焦耳定律还可变形为Q=IRQ(后面的Q是
电荷量,单位
库仑(c))。
焦耳热求解
一、若感应电流是恒定的,一般利用焦耳定律求解
电磁感应现象中,若感应电动势和感应电流是通过磁场变化或导体切割运动产生的,且数值稳定,则感应电流的焦耳热就可直接由焦耳定律求解。
二、若感应电流是非周期性变化的,由能量守恒定律求焦耳热
电磁感应现象中,若感应电动势和
感应电流是由导体棒切割磁感线运动产生的,但数值是非周期性变化,则感应电流的焦耳热就可由能的转化与守恒定律或动能定理求解。
三、若感应电流是周期性变化的。由Q=I Rt(其中I为电流的有效值)求焦耳热
电磁感应现象中,若
感应电动势和感应电流是通过磁场变化或导体切割磁感线运动产生的,且数值是周期性变化,则感应电流的焦耳热就可由Q=I Rt(其中I为电流的有效值)求解。
注意要点
在电磁感应问题中,大多数都是通过克服安培力做功把其他形式能转化为回路的电能,被电阻消耗转化为焦耳热能。
焦耳定律是一个实验定律,它的适用范围很广。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。
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。即而根据
欧姆定律,有Q=I^2xRt
需要说明的是和不是焦耳定律,它们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。对电炉、
电烙铁、电灯这类用电器,这两公式和焦耳定律是等效的。分析解决由电流通过用电器的放热问题时,应有,这样可以减少错误。
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。