冬天寒流來臨時

為了晚上暖暖地睡個好覺

大賣場的電暖器總是銷售一空

大家知道電暖器的物理原理是什麼嗎？

大家還記得電阻到底是怎麼形成的呢？

為什麼電阻值越大

就會對電路形成更大的阻礙呢？

使得電路具有較小的電流呢？

不同材質的電器或導線

會有不同的電阻值嗎？

要回答這些問題

就要先從微觀世界中

導體中的自由電子開始說起

當在電路中安裝電源

會造成電路不同位置的電位差

並且在導線內部形成電場

電場在導線中形成的運動趨勢

會驅動導線中各處的自由電子形成電流

但是電子在運動過程中

也會受到導線中原子和電子的碰撞

這導致了電子運動的阻礙

所以當我們在巨觀世界

用三用電表量測的電阻值

也可以說

是在量化微觀電子在導線中運動

所受到的阻礙

所以導線的電阻值越高

就代表

自由電子在導線中所受到的阻礙就越大

我們把單位時間內電流的作功

叫做「電功率」

電功率等於電功與作功時間的比值

即可表示為

「電功率」等於「電功」除以「作功時間」

用P表示電功率

單位為瓦特

用W表示電功

單位為焦耳

用t表示作功時間

單位為秒

則電功率的式子可寫作

P等於W除以t

故從單位上分析的話

可知1瓦特等於每秒1焦耳

因此

如果有一個家用電器的電功率為1000瓦

就代表這台電器每運轉一秒鐘

就會消耗1000焦耳的能量

舉個例子

在現今這個人手一機的時代

手機已經跟生活密不可分

手機在一般正常使用時

溫度其實不會太高

但是在玩一些3D手機遊戲

或是拍照錄影時

手機溫度常常會過熱

這又是為什麼呢？

其實手機在運作時

必須要有電流在電路上傳遞

我們才能用手機上網、聊天、看影片

那當然在忙完一天後

手機也常常沒電了需要充電

而充電就必須要用較大的電流給電池充電

這時候如果用手去摸手機

會發現手機熱熱的

這是因為電子在導線傳遞的過程中

受到電阻的阻礙

也就是導線中原子和自由電子發生碰撞

這就是所謂的「電流熱效應」

那到底多大的電流

遇到多大的電阻

會產生多少的熱能呢？

這就要透過「焦耳定律」這個定量

説明傳導電流將電能轉換為熱能的定律來解釋了

大家發現了嗎？

只要我們理解並活用電流熱效應

與焦耳定律

就可以知道電暖器的工作原理囉！

很多人家裡都有電暖器或電暖爐

它們的工作原理大同小異

就是利用電流熱效應

讓電流通過電阻進而發熱

並且藉由焦耳定律

定量設計每一秒可以釋出多少的熱能

焦耳定律告訴我們

電流通過導體產生的熱能

跟電流的二次方成正比

並且跟導體的電阻成正比

也跟通電的時間成正比

如果用數學來表示焦耳定律的話

則可寫出

Q等於Pt

如果再與電功率的關係式

P等於I平方R做合併

則可得到Q等於I平方Rt

所以畫面上的這台電暖器的消耗電功率

為1500瓦

這個是指每一秒鐘

會消耗掉1500焦耳的能量的意思

也就是說

如果在理想無損耗的情況下

每秒會產生1500焦耳的熱能

但實際上

一定都會有不小的損耗

所以電暖器其實是非常耗電的電器

但如果能用奈米碳管來發熱的話

就能將99.8%的電能轉化為熱能

是非常理想的能源轉換效率哦！

我們來思考一下這個問題

如果以1.5伏特電壓提供燈泡電能時

測得的電流為1安培

則通電2分鐘時

燈泡產生的熱能為多少焦耳？

再回到冬天裡帶給我們溫暖的電暖器

其實就是利用電流通過電阻時

產生碰撞的電流熱效應來發熱喔

讓我們來總結一下這支影片的學習內容

第一點

電流熱效應是指電子在導線傳遞的過程中

受到電阻的阻礙

也就是導線中原子和電子的碰撞

進而產生熱能

第二點

焦耳定律告訴我們

電流通過導體產生的熱能

跟電流的二次方成正比

並且跟導體的電阻成正比

也跟通電的時間成正比

正所謂水能載舟亦能覆舟

冬天時

我們需要電暖器透過良好的電流熱效應

帶給我們溫暖

但其實在其他一般電器的使用上

我們則是希望電流熱效應越差越好

因為大部分電器使用時的發熱

對人類來說

是無法回收利用的能量損耗

因此請想想看

我們還有什麼方法

能夠降低電路中能量的損耗呢？

歡迎留言分享你的想法

我們下次見

bye bye