实验证明当电流过导体时,由于自由电子的碰撞,导体的温度会升高。这是因为导体吸收的点电能转换成为热能的缘故。这种现象叫做电流的热效应。

举例生活中,许多用电器接通电源后,都伴有热现象产生。

对于冰箱来说,它的原理是通过制冷剂的工作从冷藏室和冷冻室里面吸收热量使得制冷剂迅速气化,然后通过冰箱后面的散热管放热并且使得制冷剂液化,这样周而复始. 使得制冷剂工作必须靠压缩机.

所以,假设制冷剂从冷藏室和冷冻室里面吸收50J的热量,压缩机消耗电能20J,那么,制冷剂必然通过散热管向外界放出热量50+20=70J(这就是热力学第一定律或者能量守恒定律)

这样,冰箱从外界吸收的热量小于它向外界放出的热量,所以,外界的温度必然上升.

计算公示电流通过导体时所产生的热量与电流强度的平方、导体本身的电阻、以及电流通过的时间成正比。这一结论称为焦耳——楞次定律,其数学表达式为:Q=I²Rt,公式中:

Q:电流通过导体所产生的热量,单位:焦耳(J);

I:通过导体的电流,单位:安(A);
R:导体的电阻,单位:欧(Ω)

焦耳定律:是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。

①文字叙述,电流通过导体产生的热量跟电流的平方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电的时间成正比。

②公式:焦耳定律数学表达式:Q=I^2Rt,导出公式有Q=UIt和Q=U^2/R×t。前式为普遍适用公式,导出公式适用于纯电阻电路。

③注意问题: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。电热器和白炽电灯属于上述情况。

④在串联电路中,因为通过导体的电流相等。通电时间也相等,根据焦耳定律,可知导体产生的热量跟电阻成正比,即

⑤在并联电路中,导体两端的电压相等,通电时间也相等,根据,可知电流通过导体产生的热量跟导体的电阻成反比,即

⑥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。

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1

应用电流的热效应在生产上有许多应用。电灯是利用电流产生的热使得灯丝达到白炽状态而发光,熔断器是利用电流产生的热使其熔断而切断电源。电流的热效应也是近代工业中的一种重要加热方式,如利用电炉炼钢,电机通电烘干等。电流的热效应也有它不利的一面,由于构成电气设备的导线存在电阻,所有电气设备在工作时要发热,使温度升高。如果电流过大,温度升高多就会加速绝缘体老化,甚至损坏设备。为了保证电气设备能正常工作,各种设备都规定了限额,如额定电流、额定电压、和额定电功率等。

电器设备的额定值通常用下标“e”表示,如Ie、Ue、Pe等,各种电器设备的铭牌上都有标注他们的数值2。

不利影响电流热效应也有一些不利影响,如电流通过导线时会产生热量,不仅损失了电能,过大的热量还可能损坏导线的绝缘,导致线路短路,甚至引发火灾。

为了避免导线过热,有关部门对各种不同截面的导线规定了最大允许电流(即安全电流)。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所