吴芳明，杨志越，张永强，窦佳慧，张 瑞，王丽娜

（大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023）

目前为止，国内外没有利用热效应测电流改装家庭电表防止家庭用电过大的装置，本实验应用热效应测量电流。一般情况下，当电流达到一定程度时，家庭电表中的电熔丝就会因为温度过高而熔断，来警示用户家庭用电超出峰值，而更换电熔丝又存在一定的危险。利用电流的热效应，在家用电表上留出一个端口，连接一个高阻值的电熔丝，使电流完全转化为热量，将电熔丝放入一个绝热密闭环境的介质中，避免外界环境中存在不稳定因素影响电热转化效率，使结果造成误差，通过读取介质的温度来转化计算电流的大小，当电流的大小快接近电熔丝熔断的数值时装置会发出警报，使用户注意到家庭用电超荷，解决更换电熔丝存在危险的问题。

本研究主要从以下三个方面入手：（1）高阻值电熔丝和介质的选取；（2）外界因素对装置的影响；（3）高阻值电熔丝与介质的连接方式。

1 实验原理

1.1 家庭电表

现在市面上的家用电表大致相同，其主要是由两个部分组成，其中测量部分是主要部分，由一个电子式电能表组成，电子式电能表采用专门的电能表集成电路，其中分压器对电压进行采样，由取样电阻对电流进行取样，用乘法器对采样的电压与电流的互不相关信号进行相乘转换为功率信号，经过电压时间转换器，计读器开始工作，将信号传给单片机。家用电表的功能是对我们的电器消耗的电能进行记录。不过对于不同负载家用电表所记录的电能消耗是不同的，对于有功消耗的电能电表是完全记录的，而无功消耗的电能的显示则是通过对两种消耗的电能进行矢量相加得出的数据，所以会比有功消耗大很多。

1.2 热效应

当我们在使用电器时，电器消耗电能会产生热量，这就是热效应。其中电流、电阻、通电的时间都和产生的热量成正比，其数学表达式为：Q=I2Rt。

此外，在焦耳定律中还会提到一个比热容，通过比热容的概念能够相似推出摩尔热容。摩尔热容也可因条件的不同分为等压条件下的定压摩尔热容Cp和在等容条件下的定容摩尔热容CV。

由公式（1）可知当物体的比热容低时，相同的时间与质量温度变化会很明显，由此可与焦耳定律表达式联立，当知道物体的比热容质量与时间的变化量，将其代入焦耳定律公式就可得电流。本次实验还需考虑沸点的问题，当液体沸腾时液体内部与表面剧烈汽化会影响本实验的结论，所以我们会选择沸点低的液体以及低比热容的液体，在实践中可以利用温度变化较为明显的如本实验所用到的橄榄油作为材料，通过测量所用橄榄油的温度变化可知电流的大小，从而实现本实验的改装。

现在家庭所用的电表中电子式电能表就具有防窃电能力强与计量精度较高的特点，并且已经经过多代的改良，因此本实验主要是在保持原本的家庭电表的基础上添加一个设备形成本实验的改装设备。在外部有利于实验的记录与此后的改良，并且不会对电表本身造成太大的影响。

将家庭电表总电流端口连接一个高阻值电阻，利用电热效应使电流完全转化为热量，将已知阻值的高阻值电阻完全浸没于比热容较低的橄榄油容器中，测量一定时间内介质橄榄油的温度变化，由此可以测出电流，完成本次实验。

2 实验材料

2.1 家庭电表

我们现在的家用有功电能表上记录了电器消耗有功功率，而无功功率不记录，普通灯泡、电路其他电热元件仅消耗有功功率，而其中一些则消耗电感或电容性负载。换言之，负载传感器所消耗的实际电能是有功功率和无功功率矢量的总和，两者的差值为90。但是，在电能表上记录的无感性负载的电能消耗是100%，不能降低有功功率消耗。

2.2 电热丝（高阻丝）

电加温线的电热丝：电热丝是加温线的发热元件。电热丝的材质是决定电加温线柔软性的关键。普通电阻丝是康铜、锰铜、镍铬、铁铬铝等。它们的电阻系数在0.42 ～1.22 Ωmm/m之间，属于高阻电热合金材料。DV系列电加温线的电热丝采用低电阻系数，它是电阻系数为0.124 Ωmm/m的合金丝材料。所以，它的发热量不会太高，一般在45℃左右。

2.3 绝热材料（石棉）

可以使热流传递阻滞的材料是绝热材料，也称热绝缘材料。传统的绝热材料有石棉、玻璃纤维、硝酸盐等，新型绝热材料有真空板、气凝胶毡等，这些材料主要用途有阻抗热流传递、材料复合、建造围护、热工设备，囊括了保冷、保温材料。绝热材料既节约了资源，又在很大程度上符合热工设备和建造空间的热环境。无机的绝热材料大多用于管道和设备，起到一个保温作用。这类材料有防腐、耐高温、不易燃等特点，主要有石棉、玻璃纤维、珍珠岩等。绝热材料也可在700℃以上的环境中使用。多孔质材料如耐热黏合剂、硅藻土等，纤维质材料如硅纤维、硅酸铝纤维等。

2.4 比热容较低介质（橄榄油）

在化学变化以及相变化的条件下，温度升高1K，1kg均相物质需要的热量被称作比热容。在这个概念的前提下，我们同样也可以知道温度升高1K时，1mol物质需要的摩尔热容。在等压的条件下，摩尔热容Cp被叫做定压摩尔热容。在等容的条件下，摩尔热容CV被叫做定容摩尔热容。橄榄油比热容较低。

2.5 实验室专用电子测温计

将温度计测温端放进橄榄油中，温度计数字显示屏可以直接显示出被测的橄榄油温度，以便记录实验数据，计算温度差。

2.6 秒表

需要测量在一定时间内的温度变化值，此处需要用到秒表来进行实验。

3 实验过程

我们将家庭电表（如图1所示）总电流端口连接一个高阻值电阻，利用电热效应使电流完全转化为热量，将已知阻值的高阻值电阻完全浸没在一个盛放已知一定质量且比热容较低的橄榄油的容器中，容器由石棉完全包裹住，将电子测温计通过石棉插入容器中测量一定时间内介质橄榄油的温度变化（如图2所示）。

图1 家庭电表示例图

图2 实验原理示意图

运用公式（3）原理，我们已知橄榄油的质量为m0比热容为c0，且通过实验观察测量到温度差为△t0，所以我们可以得出Q榄。

运用公式（2）原理，将已知的Q榄、R、T代入公式中便可得出家庭电表的电流值。

然后，我们在家庭电表热效应测量电流装置旁接入一个自动感应温度报警系统，当橄榄油的温度过高将要达到额定电流时，提前发出警报，提醒人们用电安全。

在实验过程中，我们必须考虑实验误差，例如电热效应转化过程中热量的损失，橄榄油盛放的玻璃缸必然会吸收热量，以此产生了误差，这是无法避免的，只能尽量减小损耗，缩减误差，例如将玻璃缸换为导热率更慢的材质容器。

4 实验结论与讨论

4.1 创新性研究结论

我们将家用电表改装，利用焦耳定律及电热效应，在普通家庭电表上接入实验装置（如图2），此装置可以将电流转化为热量，通过测量热量变化的方式进行测量电流，从而达到超负荷用电或者即将超负荷发生用电问题时进行报警的效果。与现有的普通家庭电表进行对比，此装置会让人们的生活更加便捷，在普通家用电表超负荷而短路或者断路的情况下，此装置可以做到通过热量变化测量电流大小，可提前报警告知人们用电问题。人们可以及时作出反应，而不用等到家庭电路出现短路或断路问题后再去维修，大大提高了人们生活中的用电安全。

4.2 实验结论

我们通过对焦耳定律的了解与运用进行实验，利用秒表和实验室专用电子测温计测量出在一定时间内橄榄油的温度变化，并利用比热容公式Q=cm△t计算出热量，代入焦耳定律Q=I2RT中计算得到家庭电表的电流，说明可以通过将电流转化为热量，并计算热量的大小从而得到电流值大小，实现了对实验预期的设想。

但是经过实验，我们发现，并不是所有液体都可以作为介质，比如水这些比热容较大的液体，在相同的时间里，温度变化很小，且沸点低，不易实验。所以，我们利用了比热容比较低的液体橄榄油作为介质，在相同的时间内，橄榄油温度变化大，易观察且不易挥发、沸腾。

通过实验发现，在等温变化的过程中，液体和外界不可能没有热量交换，这是不符合实际的。在实践过程中，我们也发现理想气体在等温膨胀或者等温压缩中，能量可以在环境与体系之间交换，但是如果没有这种交换就没有卡诺循环，一些学者认为Q=0是在W=0的前提下提出的，这种理解是不科学的。在证明封闭理想气体系统在导热过程中所做的工作等于系统吸收的热量之前，基于这种关系提出Q=0是不科学的。总之，根据等温过程系统与环境热交换理论，分析了焦耳实验的结果，存在很大的弊端和不足，缺乏实践性。

我们还发现实验由于电热效应转换存在一定误差，在热电转化的时候会有部分电能不能转化成热能，所以我们不能达到理想化地将电流完全转化为热量，并准确测量出热量大小，而且在产生热量的同时，存在一些外界因素的热量消耗与损失。所以，我们利用高阻丝电阻，让电流可以全部转化成热量，并采用绝热材料，减少热量的损耗和损失。

为了减少实验装置测量的不准确性，我们选择了更精准的实验仪器，利用实验室中专用电子测温计和秒表进行测量。但仍然会存在着一些误差，所以我们应进行多次试验，取平均值，减少了一次测量的不准确性。

由于稳压源不够稳定，导致电流有所变化，致使功率不能保持恒定。所以，我们采用实验室专用的学生恒定电压输出电流。

本实验与传统的电热法测热装置相比，装置简便，操作简单，结果较为准确；并且，对装置的隔热效果要求不高，采用石棉网，其他实验仪器价格也比较低，极大降低了实验成本，提高了本实验的性价比。装置简便，操作简单，不需搅拌、不需测量温度，也不需进行散热修正，简化测量与数据处理。

5 结束语

在我们的日常生活中，当电器烧毁或电路超负荷的时候，通常会有一些不正常的现象，如冒烟、冒火花等，或导线外表过热，甚至会产生刺鼻的怪味，此时应该马上断电，使电路停止工作，等待专业人员进行维修。为减少生活中用电方面的各种不便，我们研究了利用热效应测电流改装家庭电表的实验。本研究的实验装置操作简单，实验结果较为准确。实验装置可进一步提高家庭用电的安全性，为相关研究提供了有益的借鉴。