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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。这是英国科学家焦耳俄国科学家楞次得出的结论,被人称作焦耳楞次定律[1]

焦耳定律数学表达式:Q=I²Rt。对于纯电阻电路可推导出:Q=W=Pt、Q=UIt、Q=(U²/R)t

中文名称 :焦耳定律

外文名称: Joule's Law

别称:焦耳楞次定律

表达式 :Q=I²Rt

提出者: 焦耳

提出时间 : 1840年

应用学科 :物理学

定律内容

定律内容:电流通过导体产生的热量,跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比,即:Q=I^2Rt 。该定律是英国科学家焦耳于1841年发现的。

其中Q指热量,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。

纯电阻电路电路中只含有纯电阻元件,电功 W=UIt=Q,U=IR ∴Q=I^2Rt.注意:此关系只适用纯电阻电路。电流通过纯电阻电路做功,把电能转化为内能,而产生热量,电功又称为电热。[2]

含有电动机的电路,不是纯电阻电路.电功W=UIt.电流通过电动机做功,把电能一部分转化为内能,绝大部分转化为机械能.电动机线圈有电阻R,电流通过而产生热,不等于UIt,而只是UIt的一部分.原因是对于非纯电阻U≠IR且U>IR

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:Q=I²Rt,单位是焦耳(J)。

公式变换推导

焦耳定律数学表达式:Q=I^2;×Rt(适用于所有电路)。

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:Q=UIt或Q=(U^2/R)t

根据电功的公式,我们有【U指电压,单位是伏特(V)】:Q=W=Pt。[3]

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)。

定律使用

电流所做的功全部产生热量,即电能全部转化为内能,这时有Q=W(在纯电阻电路中)。电热器白炽灯属于上述情况。

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。

电热器: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。[4]

焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为内能的定律。

非纯电阻电路:Q=I^2Rt<W=Pt=U I t(电能转化为内能以及其他形式能)

纯电阻电路:Q=u^2/R t=I^2Rt=W=Pt=U I t(电能只转化为内能)

实验方法

电流通过导体产生的热量导体电阻的关系

因为我们不能直接地观察到电流到底产生了多少热量,所以我们通过观察瓶里的液体温度(温度计示数),间接的观察,这种方法叫做转换法。

在这个实验中,一共涉及到三个物理量--电流,电阻和热量,而我们只需要研究 ,热量和电阻的关系,所以,我们要保持电流一定(因此我们把两个电阻串联)为了不影响结果,这种方法叫做控制变量法。

实验原理

焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。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=I²Rt或热功率P=I²R其中Q、I、R、t、P各量的单位依次为焦耳(J)、安培(A)、欧姆(Ω)、秒(s)和瓦特(W)。

焦耳定律在串联电路中的运用: 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一定时,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=I²Rt=U²t/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))。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。

相关视频

1、电流的热效应

2、焦耳定律

参考来源

  1. 电流的热效应知识点,快资讯网,2019-12-27
  2. 焦耳定律的公式是什么,快资讯网,2019-06-03
  3. 焦耳定律公式,360搜索网,2013.03.26
  4. 焦耳定律公式运用时要注意的问题,企业网