1.2 电功、电功率和焦耳定律

1.2.1 电功

电流流过灯泡，灯泡会发光；电流流过电炉丝，电炉丝会发热；电流流过电动机，电动机会运转。由此可以看出，电流流过一些用电设备时是会做功的，电流做的功称为电功。用电设备做功的大小不但与加到用电设备两端的电压及流过的电流有关，还与通电时间的长短有关。电功可用下面的公式计算：

W=UIt

式中，W表示电功，单位是焦耳（J）；U表示电压，单位是伏（V）；I表示电流，单位是安（A）；t表示时间，单位是秒（s）。

电功的单位是焦耳（J），在电学中还常用到另一个单位：千瓦时（kW·h），也称度。1kW·h=1度。千瓦时与焦耳的换算关系为

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

1kW·h可以这样理解：一个电功率为100W的灯泡连续使用10h，消耗的电功为1kW·h（即消耗1度电）。

1.2.2 电功率

电流需要通过一些用电设备才能做功。为了衡量这些设备做功能力的大小，引入一个电功率的概念。电流单位时间做的功称为电功率。电功率用P表示，单位是瓦（W），此外还有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它们之间的换算关系为

1kW=10³W=10⁶mW

电功率的计算公式为

P=UI

根据欧姆定律可知U=I·R，I=U/R，所以电功率还可以用公式P=I²·R和P=U²/R来求得。

电功率的计算说明如图1-9所示。

白炽灯两端的电压为220V（它与电源的电动势相等），流过白炽灯的电流为0.5A，求白炽灯的功率、电阻和白炽灯10s所做的功。

白炽灯的功率为

P=UI=220V×0.5A=110V·A=110W

白炽灯的电阻为

R=U/I=220V/0.5A=440V/A=440Ω

白炽灯10s所做的功为

W=UIt=220V×0.5A×10s=1100J

1.2.3 焦耳定律

电流流过导体时导体会发热，这种现象称为电流的热效应。电热锅、电饭煲和电热水器等都是利用电流的热效应来工作的。

英国物理学家焦耳通过实验发现：电流流过导体，导体发出的热量与导体流过的电流、导体的电阻和通电的时间有关。焦耳定律的具体内容是：电流流过导体产生的热量，与电流的平方及导体的电阻成正比，与通电时间也成正比。除了焦耳外，俄国科学家楞次也通过实验独立发现了这个定律，故该定律又称焦耳-楞次定律。

焦耳定律可用下面的公式表示：

Q=I²Rt

式中，Q表示热量，单位是焦耳（J）；I表示电流，单位是安（A）；R表示电阻，单位是欧姆（Ω）；t表示时间，单位是秒（s）。

举例：某台电动机额定电压是220V，线圈的电阻为0.4Ω，当电动机接220V的电压时，流过的电流是3A，求电动机的功率和线圈每秒发出的热量。

电动机的电功率为

P=U·I=220V×3A=660W

电动机的电功（1s做的功）为

W=UIt=220V×3A×1s=660J

电动机线圈1s发出的热量为

Q=I²Rt=(3A)²×0.4Ω×1s=3.6J

电动机1s做的功为660J，其中3.6J的功转换成热量消耗掉了，其余的功主要转换成机械能。对于电阻类设备（如电水壶），其电功全部转换成热能，电功与热量值相等。