通電導(dǎo)體中的熱能轉(zhuǎn)化機制

通電導(dǎo)體中的熱能轉(zhuǎn)化機制李海斌（江漢油田高級中學(xué)湖北潛江433123）在生活中，人們都有這樣的經(jīng)歷：當(dāng)供電廠工人將斷開的電閘突然合上時，幾乎所有用戶瞬間都來電了，也就是用電器中馬上有電流通過了，因此，大部分人都會覺得電流的速度真快。其實，大家都知道電流的流向也就是電子運動的反方向，而實際上電子在導(dǎo)線中做定向運動的速度是非常小的，只有約10-5m/s的數(shù)量級，因此可以說電源將能量傳遞到用電器上顯然不是靠導(dǎo)線中的電流或電子，而是其他物質(zhì)。那么這種物質(zhì)究竟是什么呢？而且它的運動速度如此之快？我們知道，電源是提供電動勢的裝置，或者說它可以當(dāng)作是一個特殊的場源，能使與它連接形成回路的導(dǎo)體中產(chǎn)生一個閉合的電場，而導(dǎo)體中的自由電子必然會在這個閉合電場的作用下受到電場力的作用而發(fā)生定向移動，即沿著導(dǎo)體回路移動，這樣便形成了電流。當(dāng)導(dǎo)體中有電流經(jīng)過時，在其周圍便會產(chǎn)生磁場，這便是電流的磁效應(yīng)，從本質(zhì)上來說應(yīng)該是因為運動的電子在其周圍產(chǎn)生變化的電場，而變化的電場又會激發(fā)磁場，導(dǎo)體周圍的磁場分布滿足右手螺旋定則。因此，可以說在電路中傳播的實質(zhì)應(yīng)該是電磁場，在電路導(dǎo)通的瞬間，電磁場便以光速充滿整個回路，導(dǎo)體中各處的電子在電磁場的作用下便幾乎同時運動起來，所以說電源實際是以電磁場的形式通過導(dǎo)線將能量傳遞到用電器上的，然而，導(dǎo)線在傳播電磁能的同時，自身也會損耗能量而發(fā)熱，下面我將會介紹導(dǎo)線或?qū)w中的熱能轉(zhuǎn)化問題取導(dǎo)線及其表面附近空間的一段圓柱體區(qū)域V,其界面為S,設(shè)V內(nèi)的電荷密度為p，電流密度幾根據(jù)能量守恒定律知，單位時間通過界面S流入V內(nèi)的能量等于場對V內(nèi)電荷做功的與V內(nèi)電磁場能量增加率（或單位時間從V內(nèi)流出界面S的能量）之和。以f表示場對單位體積的電荷的作用力，卩表示電荷在導(dǎo)線中的運動速度，則場對V內(nèi)電荷所做的功率為TOC\o"1-5"\h\zJf-vdV' （1）V通過界面S流入V的能量為fl1-JS-db （2）S bdb為面元，是為了與能流密度矢量S區(qū)分開，V內(nèi)場的能量增加率為\o"CurrentDocument"JwdV' （3）dtV式中w為場內(nèi)單位體積的能量，即能量密度。能量守恒定律的積分形式是-JS-dbjf-；dV'+-JwdVS V dtV相應(yīng)的微分形式dw -—VSdt式中f?v表示電磁場對單位體積內(nèi)的電荷的做功功率，-厘則可解釋為單位體積電磁dt能的減少率或單位時間流出V內(nèi)的電磁能。在教學(xué)中，矢量散度的定義表示自單位體積流―r出的矢量通量，負(fù)號則表示流入，因此S自然被解釋為單位時間流入單位體積的電磁 b-—fc-能量。下面，我們將對式f?v進(jìn)行理論計算。根據(jù)洛倫茲力公式f=pE+pvxB6)f?v=(pE+pvxB)?v=pv?E=J?E6)— =■將J=cE代入(6)式得J7)J7)又J=-二丄，a為導(dǎo)線的截面半徑，由于S為導(dǎo)線表面附近的截面，可近似認(rèn)為是導(dǎo)S兀a2線的橫截面，那么式(7)可化為I28)I28)式(8)表明電磁場對導(dǎo)線中的電荷即自由電子所做的功，也就是電子的動能，由于與導(dǎo)體中的原子發(fā)生碰撞而交換能量，導(dǎo)致原子的熱運動加強，導(dǎo)體的溫度升高，即焦耳熱?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】劉向兵，李立國.高等學(xué)校實施戰(zhàn)略管理的理論探討J].科技信息.2010(23)祁順生.以價值為基礎(chǔ)的要素與企業(yè)[J]../news/class/.中國教育期刊學(xué)會.2001(02)張振川.現(xiàn)代企業(yè)風(fēng)險價值管理問題探討[J].會計研究.2004(03)湯谷良，林長泉.打造VBM框架下的價值型財務(wù)管理模式[J].會計研究.2003(12)胡笑寒，萬迪昉.戰(zhàn)略控制方法與管理控制方法的比較及發(fā)展研究[J].廣東科技./news/class/.2003(04)何有緣，侯蘭，任洪斌.信息溝通中經(jīng)理人應(yīng)遵循的“531”策略J].中國職教期刊學(xué)會./news/class/.2002(04)德國勝.提高變電站電力系統(tǒng)自動化的技術(shù)途徑探討[J].黑龍江科技信息.2010(36)劉萍.從經(jīng)濟學(xué)角度分析公允價值與市場價值[J].中國科教期刊學(xué)會.2002(12)王春美，閆彩英.淺談企業(yè)文化建設(shè)的價值取向[J].生產(chǎn)力研究.2001(06)袁改蓮，蘆震.220kV小店變電站2號主變差動保護(hù)跳閘的事故分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟./news/class/.2010(33)周雯，邢建武.新經(jīng)濟時期以來美國制造業(yè)及服務(wù)業(yè)的發(fā)展[J].特區(qū)經(jīng)濟.2009(01)趙東安，楊春.中國工業(yè)期刊學(xué)會關(guān)于生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)對制造業(yè)升級的影響研究——韓國現(xiàn)代化經(jīng)驗及對我國的啟示[J].特區(qū)經(jīng)濟.2009(01)戴靖波.Z形接地變壓器在變電站的應(yīng)用[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)./lunwen/class/?195.html.2008(01)侯曉音.地區(qū)變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計J].北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2007(05)顧乃華，畢斗斗，任旺兵.生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)與制造業(yè)互動發(fā)展:文獻(xiàn)綜述J].中醫(yī)藥期刊學(xué)會./qikan/class/.2006(06)益瑞涵.美國大學(xué)的品牌管理及啟示——以馬里蘭大學(xué)為例[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版).2007(02)顧乃華，畢斗斗，任旺兵. 中國