通电导体中的热能转化机制

栏目设置：物理问题探讨通电导体中的热能转化机制李海斌（江汉油田高级中学 湖北潜江 433123）在生活中，人们都有这样的经历：当供电厂工人将断开的电闸突然合上时，几乎所有用户瞬间都来电了，也就是用电器中马上有电流通过了，因此，大部分人都会觉得电流的速度真快。其实，大家都知道电流的流向也就是电子运动的反方向，而实际上电子在导线中做定向运动的速度是非常小的，只有约10-5m/s的数量级，因此可以说电源将能量传递到用电器上显然不是靠导线中的电流或电子，而是其他物质。那么这种物质究竟是什么呢？而且它的运动速度如此之快？我们知道，电源是提供电动势的装置，或者说它可以当作是一个特殊的场源，能使与它连接形成回路的导体中产生一个闭合的电场，而导体中的自由电子必然会在这个闭合电场的作用下受到电场力的作用而发生定向移动，即沿着导体回路移动，这样便形成了电流。当导体中有电流经过时，在其周围便会产生磁场，这便是电流的磁效应，从本质上来说应该是因为运动的电子在其周围产生变化的电场，而变化的电场又会激发磁场，导体周围的磁场分布满足右手螺旋定则。因此，可以说在电路中传播的实质应该是电磁场，在电路导通的瞬间，电磁场便以光速充满整个回路，导体中各处的电子在电磁场的作用下便几乎同时运动起来，所以说电源实际是以电磁场的形式通过导线将能量传递到用电器上的，然而，导线在传播电磁能的同时，自身也会损耗能量而发热，下面我将会介绍导线或导体中的热能转化问题取导线及其表面附近空间的一段圆柱体区域V，其界面为S，设V内的电荷密度为，电流密度J。根据能量守恒定律知，单位时间通过界面S流入V内的能量等于场对V内电荷做功的与V内电磁场能量增加率（或单位时间从V内流出界面S的能量）之和。以f表示场对单位体积的电荷的作用力，v表示电荷在导线中的运动速度，则场对V内电荷所做的功率为 （1）通过界面S流入V的能量为 （2）为面元，是为了与能流密度矢量S区分开，V内场的能量增加率为 （3）式中w为场内单位体积的能量，即能量密度。能量守恒定律的积分形式是 （4）相应的微分形式 或 （5）式中表示电磁场对单位体积内的电荷的做功功率，则可解释为单位体积电磁能的减少率或单位时间流出V内的电磁能。在教学中，矢量散度的定义表示自单位体积流出的矢量通量，负号则表示流入，因此自然被解释为单位时间流入单位体积的电磁能量。下面，我们将对式进行理论计算。根据洛伦兹力公式得 （6）将代入（6）式得 （7）又，a为导线的截面半径，由于S为导线表面附近的截面，可近似认为是导线的横截面，那么式（7）可化为 （8）式（8）表明电磁场对导线中的电荷即自由电子所做的功，也就是电子的动能，由于与导体中的原子发生碰撞而交换能量，导致原子的热运动加强，导体的温度升高，即焦耳热。【参考文献】1 刘向兵,李立国. 高等学校实施战略管理的理论探讨J. 科技信息. 2010(23) 2 祁顺生. 以价值为基础的要素与企业 J. .中国教育期刊学会.2001(02)3 张振川. 现代企业风险价值管理问题探讨J. 会计研究. 2004(03) 4 汤谷良,林长泉. 打造VBM框架下的价值型财务管理模式J. 会计研究. 2003(12) 5 胡笑寒,万迪昉. 战略控制方法与管理控制方法的比较及发展研究J. 广东科技. 2003(04) 6 何有缘,侯兰,任洪斌. 信息沟通中经理人应遵循的“531”策略J. 中国职教期刊学会. .2002(04) 7 德国胜. 提高变电站电力系统自动化的技术途径探讨J. 黑龙江科技信息. 2010(36) 8 刘萍. 从经济学角度分析公允价值与市场价值J. 中国科教期刊学会. 2002(12)9 王春美,闫彩英. 浅谈企业文化建设的价值取向J. 生产力研究. 2001(06) 10 袁改莲,芦震. 220kV小店变电站2号主变差动保护跳闸的事故分析J. 科技情报开发与经济. http:/www.xtd- 2010(33)11 周雯,邢建武. 新经济时期以来美国制造业及服务业的发展J. 特区经济. 2009(01) 12 赵东安,杨春. 中国工业期刊学会关于生产性服务业对制造业升级的影响研究韩国现代化经验及对我国的启示J. 特区经济. 2009(01) 13 戴靖波. Z形接地变压器在变电站的应用J. 湘潭师范学院学报(自然科学版). 14 侯晓音. 地区变电站自动化系统设计J. 北华大学学报(自然科学版). 2007(05) 15 顾乃华,毕斗斗,任旺兵. 生产性服务业与制造业互动发展:文献综述J. 中医药期刊学会. .2006(06)16 益瑞涵. 美国大学的品牌管理及启示以马里兰大学为例J. 华南理工大学学报(社会科学版). 2007(02) 17 顾乃华,毕斗斗,任旺兵. 中国转型期生产性服务业发展与制造业竞争力关系研究 J. 中国高教期刊学会. 2006(09)18 刘志彪. 发展现代生产者服务业与调整优化制造业结构J. 南京大学学报(哲学.人文科学.社会科学版). 2006(05)