基于熱效應的電流改裝裝置*

吳芳明，楊志越，張永強，竇佳慧，張 瑞，王麗娜

（大連海洋大學 海洋科技與環(huán)境學院，遼寧 大連 116023）

目前為止，國內(nèi)外沒有利用熱效應測電流改裝家庭電表防止家庭用電過大的裝置，本實驗應用熱效應測量電流。一般情況下，當電流達到一定程度時，家庭電表中的電熔絲就會因為溫度過高而熔斷，來警示用戶家庭用電超出峰值，而更換電熔絲又存在一定的危險。利用電流的熱效應，在家用電表上留出一個端口，連接一個高阻值的電熔絲，使電流完全轉(zhuǎn)化為熱量，將電熔絲放入一個絕熱密閉環(huán)境的介質(zhì)中，避免外界環(huán)境中存在不穩(wěn)定因素影響電熱轉(zhuǎn)化效率，使結果造成誤差，通過讀取介質(zhì)的溫度來轉(zhuǎn)化計算電流的大小，當電流的大小快接近電熔絲熔斷的數(shù)值時裝置會發(fā)出警報，使用戶注意到家庭用電超荷，解決更換電熔絲存在危險的問題。

本研究主要從以下三個方面入手：（1）高阻值電熔絲和介質(zhì)的選取；（2）外界因素對裝置的影響；（3）高阻值電熔絲與介質(zhì)的連接方式。

1 實驗原理

1.1 家庭電表

現(xiàn)在市面上的家用電表大致相同，其主要是由兩個部分組成，其中測量部分是主要部分，由一個電子式電能表組成，電子式電能表采用專門的電能表集成電路，其中分壓器對電壓進行采樣，由取樣電阻對電流進行取樣，用乘法器對采樣的電壓與電流的互不相關信號進行相乘轉(zhuǎn)換為功率信號，經(jīng)過電壓時間轉(zhuǎn)換器，計讀器開始工作，將信號傳給單片機。家用電表的功能是對我們的電器消耗的電能進行記錄。不過對于不同負載家用電表所記錄的電能消耗是不同的，對于有功消耗的電能電表是完全記錄的，而無功消耗的電能的顯示則是通過對兩種消耗的電能進行矢量相加得出的數(shù)據(jù)，所以會比有功消耗大很多。

1.2 熱效應

當我們在使用電器時，電器消耗電能會產(chǎn)生熱量，這就是熱效應。其中電流、電阻、通電的時間都和產(chǎn)生的熱量成正比，其數(shù)學表達式為：Q=I2Rt。

此外，在焦耳定律中還會提到一個比熱容，通過比熱容的概念能夠相似推出摩爾熱容。摩爾熱容也可因條件的不同分為等壓條件下的定壓摩爾熱容Cp和在等容條件下的定容摩爾熱容CV。

由公式（1）可知當物體的比熱容低時，相同的時間與質(zhì)量溫度變化會很明顯，由此可與焦耳定律表達式聯(lián)立，當知道物體的比熱容質(zhì)量與時間的變化量，將其代入焦耳定律公式就可得電流。本次實驗還需考慮沸點的問題，當液體沸騰時液體內(nèi)部與表面劇烈汽化會影響本實驗的結論，所以我們會選擇沸點低的液體以及低比熱容的液體，在實踐中可以利用溫度變化較為明顯的如本實驗所用到的橄欖油作為材料，通過測量所用橄欖油的溫度變化可知電流的大小，從而實現(xiàn)本實驗的改裝。

現(xiàn)在家庭所用的電表中電子式電能表就具有防竊電能力強與計量精度較高的特點，并且已經(jīng)經(jīng)過多代的改良，因此本實驗主要是在保持原本的家庭電表的基礎上添加一個設備形成本實驗的改裝設備。在外部有利于實驗的記錄與此后的改良，并且不會對電表本身造成太大的影響。

將家庭電表總電流端口連接一個高阻值電阻，利用電熱效應使電流完全轉(zhuǎn)化為熱量，將已知阻值的高阻值電阻完全浸沒于比熱容較低的橄欖油容器中，測量一定時間內(nèi)介質(zhì)橄欖油的溫度變化，由此可以測出電流，完成本次實驗。

2 實驗材料

2.1 家庭電表

我們現(xiàn)在的家用有功電能表上記錄了電器消耗有功功率，而無功功率不記錄，普通燈泡、電路其他電熱元件僅消耗有功功率，而其中一些則消耗電感或電容性負載。換言之，負載傳感器所消耗的實際電能是有功功率和無功功率矢量的總和，兩者的差值為90。但是，在電能表上記錄的無感性負載的電能消耗是100%，不能降低有功功率消耗。

2.2 電熱絲（高阻絲）

電加溫線的電熱絲：電熱絲是加溫線的發(fā)熱元件。電熱絲的材質(zhì)是決定電加溫線柔軟性的關鍵。普通電阻絲是康銅、錳銅、鎳鉻、鐵鉻鋁等。它們的電阻系數(shù)在0.42 ～1.22 Ωmm/m之間，屬于高阻電熱合金材料。DV系列電加溫線的電熱絲采用低電阻系數(shù)，它是電阻系數(shù)為0.124 Ωmm/m的合金絲材料。所以，它的發(fā)熱量不會太高，一般在45℃左右。

2.3 絕熱材料（石棉）

可以使熱流傳遞阻滯的材料是絕熱材料，也稱熱絕緣材料。傳統(tǒng)的絕熱材料有石棉、玻璃纖維、硝酸鹽等，新型絕熱材料有真空板、氣凝膠氈等，這些材料主要用途有阻抗熱流傳遞、材料復合、建造圍護、熱工設備，囊括了保冷、保溫材料。絕熱材料既節(jié)約了資源，又在很大程度上符合熱工設備和建造空間的熱環(huán)境。無機的絕熱材料大多用于管道和設備，起到一個保溫作用。這類材料有防腐、耐高溫、不易燃等特點，主要有石棉、玻璃纖維、珍珠巖等。絕熱材料也可在700℃以上的環(huán)境中使用。多孔質(zhì)材料如耐熱黏合劑、硅藻土等，纖維質(zhì)材料如硅纖維、硅酸鋁纖維等。

2.4 比熱容較低介質(zhì)（橄欖油）

在化學變化以及相變化的條件下，溫度升高1K，1kg均相物質(zhì)需要的熱量被稱作比熱容。在這個概念的前提下，我們同樣也可以知道溫度升高1K時，1mol物質(zhì)需要的摩爾熱容。在等壓的條件下，摩爾熱容Cp被叫做定壓摩爾熱容。在等容的條件下，摩爾熱容CV被叫做定容摩爾熱容。橄欖油比熱容較低。

2.5 實驗室專用電子測溫計

將溫度計測溫端放進橄欖油中，溫度計數(shù)字顯示屏可以直接顯示出被測的橄欖油溫度，以便記錄實驗數(shù)據(jù)，計算溫度差。

2.6 秒表

需要測量在一定時間內(nèi)的溫度變化值，此處需要用到秒表來進行實驗。

3 實驗過程

我們將家庭電表（如圖1所示）總電流端口連接一個高阻值電阻，利用電熱效應使電流完全轉(zhuǎn)化為熱量，將已知阻值的高阻值電阻完全浸沒在一個盛放已知一定質(zhì)量且比熱容較低的橄欖油的容器中，容器由石棉完全包裹住，將電子測溫計通過石棉插入容器中測量一定時間內(nèi)介質(zhì)橄欖油的溫度變化（如圖2所示）。

圖1 家庭電表示例圖

圖2 實驗原理示意圖

運用公式（3）原理，我們已知橄欖油的質(zhì)量為m0比熱容為c0，且通過實驗觀察測量到溫度差為△t0，所以我們可以得出Q欖。

運用公式（2）原理，將已知的Q欖、R、T代入公式中便可得出家庭電表的電流值。

然后，我們在家庭電表熱效應測量電流裝置旁接入一個自動感應溫度報警系統(tǒng)，當橄欖油的溫度過高將要達到額定電流時，提前發(fā)出警報，提醒人們用電安全。

在實驗過程中，我們必須考慮實驗誤差，例如電熱效應轉(zhuǎn)化過程中熱量的損失，橄欖油盛放的玻璃缸必然會吸收熱量，以此產(chǎn)生了誤差，這是無法避免的，只能盡量減小損耗，縮減誤差，例如將玻璃缸換為導熱率更慢的材質(zhì)容器。

4 實驗結論與討論

4.1 創(chuàng)新性研究結論

我們將家用電表改裝，利用焦耳定律及電熱效應，在普通家庭電表上接入實驗裝置（如圖2），此裝置可以將電流轉(zhuǎn)化為熱量，通過測量熱量變化的方式進行測量電流，從而達到超負荷用電或者即將超負荷發(fā)生用電問題時進行報警的效果。與現(xiàn)有的普通家庭電表進行對比，此裝置會讓人們的生活更加便捷，在普通家用電表超負荷而短路或者斷路的情況下，此裝置可以做到通過熱量變化測量電流大小，可提前報警告知人們用電問題。人們可以及時作出反應，而不用等到家庭電路出現(xiàn)短路或斷路問題后再去維修，大大提高了人們生活中的用電安全。

4.2 實驗結論

我們通過對焦耳定律的了解與運用進行實驗，利用秒表和實驗室專用電子測溫計測量出在一定時間內(nèi)橄欖油的溫度變化，并利用比熱容公式Q=cm△t計算出熱量，代入焦耳定律Q=I2RT中計算得到家庭電表的電流，說明可以通過將電流轉(zhuǎn)化為熱量，并計算熱量的大小從而得到電流值大小，實現(xiàn)了對實驗預期的設想。

但是經(jīng)過實驗，我們發(fā)現(xiàn)，并不是所有液體都可以作為介質(zhì)，比如水這些比熱容較大的液體，在相同的時間里，溫度變化很小，且沸點低，不易實驗。所以，我們利用了比熱容比較低的液體橄欖油作為介質(zhì)，在相同的時間內(nèi)，橄欖油溫度變化大，易觀察且不易揮發(fā)、沸騰。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，在等溫變化的過程中，液體和外界不可能沒有熱量交換，這是不符合實際的。在實踐過程中，我們也發(fā)現(xiàn)理想氣體在等溫膨脹或者等溫壓縮中，能量可以在環(huán)境與體系之間交換，但是如果沒有這種交換就沒有卡諾循環(huán)，一些學者認為Q=0是在W=0的前提下提出的，這種理解是不科學的。在證明封閉理想氣體系統(tǒng)在導熱過程中所做的工作等于系統(tǒng)吸收的熱量之前，基于這種關系提出Q=0是不科學的。總之，根據(jù)等溫過程系統(tǒng)與環(huán)境熱交換理論，分析了焦耳實驗的結果，存在很大的弊端和不足，缺乏實踐性。

我們還發(fā)現(xiàn)實驗由于電熱效應轉(zhuǎn)換存在一定誤差，在熱電轉(zhuǎn)化的時候會有部分電能不能轉(zhuǎn)化成熱能，所以我們不能達到理想化地將電流完全轉(zhuǎn)化為熱量，并準確測量出熱量大小，而且在產(chǎn)生熱量的同時，存在一些外界因素的熱量消耗與損失。所以，我們利用高阻絲電阻，讓電流可以全部轉(zhuǎn)化成熱量，并采用絕熱材料，減少熱量的損耗和損失。

為了減少實驗裝置測量的不準確性，我們選擇了更精準的實驗儀器，利用實驗室中專用電子測溫計和秒表進行測量。但仍然會存在著一些誤差，所以我們應進行多次試驗，取平均值，減少了一次測量的不準確性。

由于穩(wěn)壓源不夠穩(wěn)定，導致電流有所變化，致使功率不能保持恒定。所以，我們采用實驗室專用的學生恒定電壓輸出電流。

本實驗與傳統(tǒng)的電熱法測熱裝置相比，裝置簡便，操作簡單，結果較為準確；并且，對裝置的隔熱效果要求不高，采用石棉網(wǎng)，其他實驗儀器價格也比較低，極大降低了實驗成本，提高了本實驗的性價比。裝置簡便，操作簡單，不需攪拌、不需測量溫度，也不需進行散熱修正，簡化測量與數(shù)據(jù)處理。

5 結束語

在我們的日常生活中，當電器燒毀或電路超負荷的時候，通常會有一些不正常的現(xiàn)象，如冒煙、冒火花等，或?qū)Ь€外表過熱，甚至會產(chǎn)生刺鼻的怪味，此時應該馬上斷電，使電路停止工作，等待專業(yè)人員進行維修。為減少生活中用電方面的各種不便，我們研究了利用熱效應測電流改裝家庭電表的實驗。本研究的實驗裝置操作簡單，實驗結果較為準確。實驗裝置可進一步提高家庭用電的安全性，為相關研究提供了有益的借鑒。