焦耳加熱
編輯焦耳加熱,也稱為電阻、電阻或歐姆加熱,是電流通過導體產生熱量的過程。
焦耳加熱影響整個電導體,這與將熱量從一個電接點傳遞到另一個電接點的珀耳帖效應不同。
歷史
編輯焦耳將一段電線浸入固定質量的水中,并測量由于已知電流流過電線 30 分鐘引起的溫升。 通過改變電流和電線的長度,他推斷出產生的熱量與電流的平方乘以浸入電線的電阻成正比。
這導致焦耳拒絕熱能理論(當時占主導地位的理論),轉而支持熱的機械理論(根據該理論,熱是能量的另一種形式)。
國際單位制的能量單位后來被命名為焦耳,并給出符號 J。眾所周知的功率單位瓦特相當于每秒一焦耳。
微觀描述
編輯焦耳加熱是由電荷載體(通常是電子)與導體主體之間的相互作用引起的。
導體兩點之間的電位差(電壓)會產生一個電場,該電場會沿電場方向加速電荷載流子,從而為它們提供動能。 當帶電粒子與導體中的準粒子碰撞時(即晶體諧波近似中的規范量子化離子晶格振蕩),能量從電子轉移到晶格(通過產生進一步的晶格振蕩) . 離子的振蕩是人們在典型實驗中測量的輻射(熱能)的來源。
功率損耗和噪聲
編輯焦耳加熱因其與歐姆定律的關系而被稱為歐姆加熱或電阻加熱。 它構成了涉及電加熱的大量實際應用的基礎。 然而,在發熱是電流使用的不良副產品(例如,電力變壓器中的負載損耗)的應用中,能量轉移通常稱為電阻損耗。 在電力傳輸系統中使用高壓是專門設計用于通過以相應較低的電流運行來減少布線中的此類損耗。 英國家庭中使用的環形電路或環形電源是另一個例子,其中電力以較低的電流(每根電線,通過并聯使用兩條路徑)輸送到插座,從而減少電線中的焦耳加熱。 焦耳加熱不會發生在超導材料中,因為這些材料在超導狀態下的電阻為零。
電阻器會產生電噪聲,稱為約翰遜-奈奎斯特噪聲。 約翰遜-奈奎斯特噪聲與焦耳加熱之間存在密切關系,由波動耗散定理解釋。
公式
編輯直流電
焦耳加熱的最基本公式是廣義冪等式
P {\displaystyle P} 是電能轉化為熱能的功率(單位時間內的能量),
- I {\displaystyle I} 是流經電阻器或其他元件的電流,
- V A ? V B {\displaystyle V_{A}-V_{B}} 是元件兩端的電壓降。
這個公式( P = I V {\displaystyle P=IV} )的解釋是:
(每單位時間耗散的能量)=(每單位時間通過電阻的電荷)×(每次通過電阻的電荷耗散的能量)
假設元件表現為一個完美的電阻器,并且功率完全轉化為熱量
交流電
編輯當電流變化時,就像在交流電路中一樣,P 是 瞬時功率從電能轉換為熱能。
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