我不明白什么是真正的力量

电器工程 欧姆定律
2022-01-15 23:15:11

我意识到这可能是一个非常普遍的问题,但我必须用我自己的话来说。

我试着用水的类比来理解欧姆定律。两个装有水的水箱,一个水位比另一个高,还有一根连接它们的管道。水想流动。有一个代表电阻的阀门。

开始我困惑的事情是当我开始考虑电路中的散热时。这些热量实际上来自哪里?

它不可能来自压力,电压,因为如果是这样的话,如果两个水箱中较高的水箱里有足够的水,阀门应该会非常热,从而对阀门施加很大的压力。

我读到热量来自实际的电流,即电流。起初,这似乎很直观。但后来我继续考虑什么是力量。这就是混乱的地方。因为如果我加倍压力和加倍阻力,电流保持不变。我认为这意味着散热将保持不变。

但威力翻倍。那么这实际上意味着什么呢?

即使电流的实际流动保持不变,我的水箱是否因为功率更高而以不同的速度排入另一个水箱?

什么是权力?

4个回答

你可以想想电线中的电子流动会发生什么。尽管不正确,但请尝试将电子视为机械粒子。每当它试图沿着电线移动时,它就会撞到什么东西,这种碰撞会产生热量。所以你可以想象一个能量从电子的动能转移到热能(所以电子速度在那一刻下降)。所以电子并不是一直保持恒定的速度,尽管我们可以说它们有一个平均速度,而这个平均速度取决于电线的电阻,而这正是电子撞击的障碍。

如果没有任何电阻,电线就不会变热。因此,电线不会消耗任何功率。

当您将电压加倍并同时将电阻加倍时,您可能会认为导线内的电场较高,因此电子可能比较低电压更快地达到高速。但阻力也更高,因此它可能会以更强的方式击中障碍。所以平均速度可能会变得相同(电流相同),尽管现在你正在消散更多的热量,因为碰撞更强。

这是一种非常粗俗的思考方式,但它可以帮助你通过一些类比来想象为什么事情是这样的。

此外,您可能会将功率视为每秒焦耳(瓦特)。所以它与每时间的一些能量单位有关。在欧姆定律示例中,它适用于散热。换句话说,有多少能量被浪费在了整个电线的热量中。如果您考虑机械系统,则功率可能代表移动某物所需的能量(您可以计算达到所需速度的最小动能,然后计算应传递给该物体以达到该速度的能量)。所以,由于权力与能量直接相关,你可能会认为能量总是从一种方式转移到另一种方式。权力可能表明这件事发生的速度有多快。

对于机械类比,将电阻视为机械摩擦,将电压视为,将电流视为速度

假设有一个物体,受到摩擦,以恒定速度运动(这类似于具有恒定电流的电阻电路)。

必须有施加的力(类似于电压源)和相反的摩擦力(类似于电阻器两端的电压)。

现在,正如您肯定观察到的那样,摩擦将动能转化热能(想想当您的汽车从高速快速停止时刹车会变热)。

相关功率是这种能量转换的速率;它是每秒多少动能转换为热能

很容易证明,与摩擦力 \$F_f\$ 和速度v相关的功率由下式给出:

$$P_f = F_f \cdot v$$

这对你来说应该很直观。如果您将双手慢慢地并拢,即使有热也不会感到太多。如果您将双手快速并拢,您可以快速热身。

摩擦力由下式给出:

$$F_f = \mu \cdot v$$

其中 \$\mu\$ 是摩擦系数。这类似于欧姆定律

$$V = R \cdot I$$

最后,让我们解决您的问题:

因为如果我加倍压力和加倍阻力,电流保持不变。我认为这意味着散热将保持不变。

但威力翻倍。那么这实际上意味着什么呢?

在我们的机械类比中,如果我们将摩擦力加倍(类似于阻力加倍)并假设物体的速度保持不变(类似于电流保持不变)会发生什么?

摩擦力加倍,因此摩擦力产生的功率加倍

从机械上讲,这是直观的。如果您在以恒定速度行驶的汽车中并且滚动摩擦突然加倍,则您需要将发动机功率输出加倍(用力踩油门踏板)以保持您的速度

功率首先是能量的变化率。如果能源是金钱,那么电力损失将是您每月的支出,而获得的电力将是您的每月收入。如果它们都相等,则每个月没有净能量变化。

但真正的能量是什么?能量是你工作所需要的东西,比如举起重物(对抗重力场),或者拉开两个磁铁(对抗磁场),或者移动带电粒子(对抗电场)。最后一个例子适用于基本电力。

您通常可以定义某种敏感的粒子,并且可以在场内被推动,而场只是在该粒子的自由度(如空间坐标)内可视化和量化的一种方式,强度和它被推向什么方向。

因此,在物理场上移动这个粒子需要能量。如果在场内定义任意点 A 并计算使粒子到达另一点 B 的能量,则可以说点 B 的势能等于该能量。由于 A 是任意的,因此谈论潜在差异才有意义。

在电场的背景下,粒子(如电子)对该场的敏感性称为电荷,单位称为库仑。所以电势有能量/电荷单位,或[焦耳]/[库仑],与电压相同。

因此,如果电路中的 A 点和 B 点之间存在电位差(电压),并且有一定数量的电荷以一定的速率(电流)从 A 流向 B,那么就有一定的能量速率被耗尽(力量)。他们如何从 A 点到 B 点(通过电线、电阻、二极管、晶体管、空气、铅笔等)并不重要,重要的是电压和电流,而功率是他们的乘积:

$$ 功率 = 电压\cdot 电流 $$

您可以检查单位:

$$ \frac{[Joules]}{[Second]} = \frac{[Joules]}{[Coulomb]}\cdot \frac{[Coulombs]}{[Second]} $$

当您谈论电阻时,您只是在谈论材料如何影响通过它的电流,给定它的电位差,但只有电阻器具有如此简单的线性关系,所以 \$P=V^2/R您的问题中暗示的 \$ 关系对于理想化电阻器之外的其他任何东西都不正确,并且该功率方程只是它们的电流特性与它们两端的电压成正比的结果。好消息是,这可以是许多真实设备在特定操作点的模型的一部分,所以这是一个非常有用的概念,我只是想澄清一下,它不是任何真实设备的完整模型。换句话说,\$P=V\cdot I\$ 是通用的,\$P=V^2/R\$ 不是。

希望到现在为止应该更清楚为什么没有电流就不可能有任何功率(您没有取代任何带电粒子,因此没有做任何工作),以及为什么功率不仅仅取决于电流(移动电荷)零潜力不需要任何“努力”)。这实际上是关于每单位时间移动多少电荷,以及跨越多少电位差。

根据定义,功率能量传输或变化的速率。
如果您将其视为基本要素,那么所有其他问题都需要对此有意义。
如果问题不“尊重”该定义,则该问题没有意义。
试图理解荒谬问题的答案充满危险:-)。


它不可能来自压力,电压,因为如果是这样的话,如果两个水箱中较高的水箱里有足够的水,阀门应该会非常热,从而对阀门施加很大的压力。

你有压力,但没有流量。能量没有被转移——不需要电力。

我读到热量来自实际的电流,即电流。起初,这似乎很直观。但后来我继续考虑什么是力量。这就是混乱的地方。因为如果我加倍压力和加倍阻力,电流保持不变。我认为这意味着散热将保持不变。但威力翻倍。那么这实际上意味着什么呢?

跟随能量。
由于 I = V/R = 2V/2R,当 V 和 R 都加倍时,电流不会改变。
但是推动相同电流通过两倍电阻的管道所需的能量是两倍。是的?
即压力和阻力加倍->电流相同,但能量流量加倍,因此功率加倍。


请注意,电源

= VI = V^2/R = I^2R。

这些公式在功能上是相同的并且可以互换。
您可以通过替换变量从一个到另一个。
如果其中任何一个对您有意义,那么只需根据欧姆定律插入变量的变体,就可以从中推导出其余部分。

例如
P = V x I 但 V = IR
所以P = IR x I = I^2R

P = I^2R 但 I = V/R 所以P = (V/R)^2 = V^2/R

如果您对 VI 或 V^2/R 或 I^R 中的任何一个“解释”功率感到满意,那么上面的内容可以让您证明其他人是相同的。


P = V x I
能量率与推动的东西量和推动力成正比。

P = I^2R
能量率与被推动的东西的难度成正比,但与被推动的东西的平方成正比,因为 当你通过给定管道推动的东西数量增加一倍时,你不仅会得到同样多的东西每次但推动它的难度是两倍。

P = V^2/R
能量率与推力的平方成正比,但与推动它的难度成反比。
1/R 很容易,因为更少的努力 = 更少的能量需求。
如果你将所用的力加倍,那么所用的力就会加倍,因此能量率会上升,但流速也会加倍(I=V/R),所以你必须用两倍的力推,因此是 V^2 项。

这一切都说得通。
这一切都是一致的。
它都可以在各种说法之间转换。
任何时候这 3 个中的任何一个看起来都不是真的,攻击它看起来不是这样的“原因”,你会发现这个推理有一个缺陷。
例如,在给定的第一个示例中,没有电流流动,因此没有能量转移,因此没有功率。