1.3 电功率和焦耳定律

1.3.1 电功与电功率

1 电动

能量被定义为做功的能力。它以各种形式存在，包括电能、热能、光能、机械能、化学能以及声能等。电能是指电荷移动所承载的能量。

电能的转换是在电流做功的过程中进行的。因此，电流做功所消耗电能的多少可以用电功来度量。电功的计算公式为

W=UIt

式中，U为电压，单位为V；I为电流，单位为A；W为电功，单位为J；t为时间，单位为s。

日常生产和生活中，电功也常用度作为单位，家庭用电能表如图1-8所示，是计量一段时间内家庭的所有电器耗电（电功）的综合。1度=1kW · h。

我们日常生活中使用的电能主要来自其他形式能量的转换，包括水能（水力发电）、热能（火力发电）、原子能（原子能发电）、风能（风力发电）、化学能（电池）及光能（光电池、太阳电池等）等。电能也可转换成其他所需的能量形式。它可以采用有线或无线的形式进行远距离的传输。

2 电功率

功率是指做功的速率或者是利用能量的速率。电功率是指电流在电位时间内（s）所做的功，以字母“P”标识，即

P=W/t=UIt/t=UI

式中，U的单位为V；I的单位为A；P的单位为W。例如，图1-9为电功率的计算案例。

电功率也常用千瓦（kW）、毫瓦（mW）来表示。例如，某电机的功率标识为2kW，表示其耗电功率为2kW。也有用马力来表示的（非标准单位），它们之间的关系是

1kW=103W

1mW=10-3W

1马力=0.735kW

1kW=1.36马力

根据欧姆定律，电功率的表达式还可转化为

由P=W/t=UIt/t=UI，U=I R，因此可得

P=I 2R

由P=W/t=UIt/t=UI，I=U/R，因此可得

P=U 2/R

由以上公式可看出：

1）当流过负载电阻的电流一定时，电功率与电阻值成正比。

2）当加在负载电阻两端的电压一定时，电功率与电阻值成反比。

大多数电力设备都标有电瓦数或额定功率。如电烤箱上标有220V 1200W字样，则1200W为其额定电功率。额定电功率即是电气设备安全正常工作的最大电功率。电气设备正常工作时的最大电压叫作额定电压，例如AC 220V，即为交流220V供电的条件。在额定电压下的电功率叫作额定功率。实际加在电气设备两端的电压叫作实际电压，在实际电压下的电功率叫作实际功率。只有在实际电压与额定电压相等时，实际功率才等于额定功率。

在一个电路中，额定功率大的设备实际消耗功率不一定大，应由设备两端实际电压和流过设备的实际电流决定。

1.3.2 焦耳定律

把手靠近点亮了一段时间的白炽灯泡，就会感到灯泡发热；电视机、计算机主机和显示器，长时间工作后外壳会发热，即导体中有电流通过时，导体就会发热，这种现象叫作电流的热效应。

我们知道灯泡和电线串联在电路中，电流相同，灯泡发热、发光，电线却不怎么热；相同的导线如果将灯泡换成大功率的电炉，电线将显著发热，甚至烧坏电线；电熨斗通电的时间过长，也会产生很多热量，一不小心，就会烫坏衣料。这些都说明电流产生的热量与导体的电阻、电流和通电时间有关。

英国物理学家焦耳做了大量的实验后于1840年最先确定了电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的定量关系：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体电阻成正比，与通电时间成正比。这个规律叫作焦耳定律。

用I表示电流，R表示电阻，t为通电时间，Q表示热量，焦耳定律可以表示为

Q=I 2Rt

电流的热效应在生产和生活中应用广泛。例如，电饭煲、电磁炉、电烙铁、电熨斗、电暖气等，如图1-10a所示。这些电热器具有热效率高，调节温度方便，清洁卫生等优点，给生产和生活提供了极大的便利。电流的热效应也有不利的地方，比如电动机、电视机等工作时也会有热量产生，如图1-10b所示，这既浪费了电能，又可能在机器散热较差时被烧毁。在远距离输电时，由于输电线有电阻，不可避免地使一部分电能在输电线上转化为热能而损失。所以无论是利用电流的热效应，还是减小电流的热效应，都需要掌握有关热效应的规律。