1.2 電功、電功率和焦耳定律

1.2.1 電功

電流流過燈泡，燈泡會發光；電流流過電爐絲，電爐絲會發熱；電流流過電動機，電動機會運轉。由此可以看出，電流流過一些用電設備時是會做功的，電流做的功稱為電功。用電設備做功的大小不但與加到用電設備兩端的電壓及流過的電流有關，還與通電時間的長短有關。電功可用下面的公式計算：

W=UIt

式中，W表示電功，單位是焦耳（J）；U表示電壓，單位是伏（V）；I表示電流，單位是安（A）；t表示時間，單位是秒（s）。

電功的單位是焦耳（J），在電學中還常用到另一個單位：千瓦時（kW·h），也稱度。1kW·h=1度。千瓦時與焦耳的換算關系為

1kW·h=1×10³W×(60×60)s=3.6×10⁶W·s=3.6×10⁶J

1kW·h可以這樣理解：一個電功率為100W的燈泡連續使用10h，消耗的電功為1kW·h（即消耗1度電）。

1.2.2 電功率

電流需要通過一些用電設備才能做功。為了衡量這些設備做功能力的大小，引入一個電功率的概念。電流單位時間做的功稱為電功率。電功率用P表示，單位是瓦（W），此外還有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它們之間的換算關系為

1kW=10³W=10⁶mW

電功率的計算公式為

P=UI

根據歐姆定律可知U=I·R，I=U/R，所以電功率還可以用公式P=I²·R和P=U²/R來求得。

電功率的計算說明如圖1-9所示。

白熾燈兩端的電壓為220V（它與電源的電動勢相等），流過白熾燈的電流為0.5A，求白熾燈的功率、電阻和白熾燈10s所做的功。

白熾燈的功率為

P=UI=220V×0.5A=110V·A=110W

白熾燈的電阻為

R=U/I=220V/0.5A=440V/A=440Ω

白熾燈10s所做的功為

W=UIt=220V×0.5A×10s=1100J

1.2.3 焦耳定律

電流流過導體時導體會發熱，這種現象稱為電流的熱效應。電熱鍋、電飯煲和電熱水器等都是利用電流的熱效應來工作的。

英國物理學家焦耳通過實驗發現：電流流過導體，導體發出的熱量與導體流過的電流、導體的電阻和通電的時間有關。焦耳定律的具體內容是：電流流過導體產生的熱量，與電流的平方及導體的電阻成正比，與通電時間也成正比。除了焦耳外，俄國科學家楞次也通過實驗獨立發現了這個定律，故該定律又稱焦耳-楞次定律。

焦耳定律可用下面的公式表示：

Q=I²Rt

式中，Q表示熱量，單位是焦耳（J）；I表示電流，單位是安（A）；R表示電阻，單位是歐姆（Ω）；t表示時間，單位是秒（s）。

舉例：某臺電動機額定電壓是220V，線圈的電阻為0.4Ω，當電動機接220V的電壓時，流過的電流是3A，求電動機的功率和線圈每秒發出的熱量。

電動機的電功率為

P=U·I=220V×3A=660W

電動機的電功（1s做的功）為

W=UIt=220V×3A×1s=660J

電動機線圈1s發出的熱量為

Q=I²Rt=(3A)²×0.4Ω×1s=3.6J

電動機1s做的功為660J，其中3.6J的功轉換成熱量消耗掉了，其余的功主要轉換成機械能。對于電阻類設備（如電水壺），其電功全部轉換成熱能，電功與熱量值相等。