焦耳定律

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簡介

能量和功都以焦耳為單位進行測量。透過施加一牛頓的力在一米的距離上，物體被使其工作（或被賦予能量）。當一個物體受到 1 N 的力作用並移動 1 m 時，就會產生一個焦耳。它以牛頓米為單位進行測量。每次施加機械力時，都會產生熱量的精確等價物。根據焦耳定律，任何電氣元件中產生的熱量與電流的平方、電阻和電流持續時間成正比。

什麼是焦耳？

焦耳是能量和功的計量單位。透過施加一牛頓的力在一米的距離上，物體被使其工作。當對任何物體施加 1 N 的力並且物體移動一米時，其乘積為一個焦耳。它以牛頓米為單位測量。每次施加機械力時，都會獲得熱量的精確等價物。

$$\mathrm{1\:J = 1\:N \times 1\:m}$$

焦耳定律

根據焦耳定律，任何電氣元件中產生的熱量與電流的平方、電阻和電流持續時間成正比。

讓我們看看這個公式

$$\mathrm{P=I^{2} R}$$

這個公式是由詹姆斯·焦耳透過實驗發現的，這意味著他檢查了一些資料，進行了測量，並觀察了這種現象。功率、電流和電阻的測量導致了這一結論。因此，這個公式不是從數學計算中推匯出來的。它是透過實驗發現的，他指出電阻器耗散的功率與電流的平方成正比。

當我們說“電阻器耗散的功率”時，我們只是意味著電流正在流過電阻器。I 是流過電阻器的電流，它會發熱。想想這股熱量來自電阻器，流向周圍的空氣，散開，最終消失。它並沒有從宇宙中消失，而是散開了，變得無法使用。根據焦耳的觀點，電阻器耗散的功率與電流的平方成正比。在公式中，功率由電流 I 的平方決定。

有趣的是，歐姆定律（我們也在 V=IR 中討論過）也是透過實驗發現的。觀察現實世界中的資料揭示了這兩個發現。當電流流過電阻器時會產生熱量。電阻器的能量完全轉化為熱量。焦耳熱是將電能轉換為熱量的過程。當電路中的電阻元件被加熱時，就會發生焦耳熱。這些公式代表了任何旨在產生熱量的電氣裝置（例如電加熱器或烤麵包機）背後的理論。烤麵包機包含一個加熱元件，當我們按下那個小裝置時，它就會變熱。

功率是能量除以時間。

$$\mathrm{P=\frac{Energy}{Time}}$$

$$\mathrm{Energy=Power \times Time}$$

以及 $\mathrm{P=I^{2} R}$

代入功率的值

$$\mathrm{Energy=I^{2}\:RT}$$

$$\mathrm{H=I^{2}\:RT }$$

其中 H= 熱量。

交流電和直流電的焦耳熱功率方程

根據焦耳定律，任何電氣元件中產生的熱量與電流的平方、電阻和電流持續時間成正比。當對任何物體施加 1 N 的力並且物體移動一米時，其乘積為一個焦耳。它以牛頓米為單位表示。

$$\mathrm{P=\frac{Energy}{Time}}$$

$$\mathrm{Energy=Power \times Time}$$

以及 $\mathrm{P=I^{2} R}$

代入功率的值

$$\mathrm{Energy=I^{2}\:RT}$$

$$\mathrm{H=I^{2}\:RT }$$

其中 H= 熱量。

焦耳定律的應用

保險絲

保險絲是一根熔點不高的細導線，由錫合金製成。保險絲與電器串聯連線。當電流超過最大值時，保險絲被加熱到超過其熔點的溫度，並切斷電路。導線被加熱到的溫度與電流的平方成正比，與半徑的立方成反比，因此溫度由流過導線的電流及其半徑決定，而與長度無關。其他應用包括：

• 電燈泡

• 電加熱器

• 電熨斗

• 電熱水器等。

測量熱功當量的裝置

結論

能量和功都以焦耳為單位進行測量。透過施加一牛頓的力在一米的距離上，物體可以被使其運動。當任何物體受到 1 N 的力作用並移動 1 m 時，就會產生一個焦耳。它以牛頓米為單位測量。當施加機械力時，會產生熱量的精確等價物。根據焦耳定律，任何電氣元件中產生的熱量與電流的平方、電阻和電流持續時間成正比。在本文中，我們學習了什麼是焦耳定律、焦耳定律或電流的熱效應、交流電和直流電的焦耳熱功率方程、焦耳定律的應用以及一些常見問題。

常見問題

Q1. 影響焦耳熱定律的變數有哪些？

A1：焦耳熱定律指出，導線中產生的熱量與電流的平方、導線的電阻以及電流允許流過電路的時間成正比。

Q2. 哪種裝置不遵循焦耳熱定律？

A2：與其他眾所周知的裝置（如電熨斗、加熱器和燈泡）不同，電風扇不基於焦耳定律。

Q3. 焦耳熱的效應是可逆的嗎？

A3：焦耳熱效應是一種永久現象。也就是說，如果我們沿一個方向向電阻器供電，電阻器會發熱。但是，透過改變電流的方向，我們無法冷卻電阻器。因此，此過程不可逆。

Q4. 理想絕緣體可以產生多少焦耳熱？

A4：我們知道理想絕緣體導熱和導電效能都很差。因此，由於它不導電，因此不會透過它產生熱量。

Q5. 焦耳熱如何隨著電阻的變化而變化，包括正向和負向變化？

A5：焦耳熱由電壓的平方除以電阻決定。這意味著較低的電阻和較高的電壓都會顯著增加產生的熱量。

Q6. 為什麼過大的電流會產生熱量？

A6：當電流流過電路中的電阻元件時，會產生熱量。導體的電阻決定了電流流過它時產生的熱量多少。因此，電流流過導體時，不可避免地會產生熱量。

Q7. 電力會產生熱量嗎？

A7：伏特通常在導線外部和安培周圍流動。因此，安培會產生熱量，因為原子和價電子會產生不同程度的電阻，而伏特通常不會。但是，如果您使用足夠粗的導線，您將不會感覺到熱量上升。