Nie rozumiem, czym właściwie jest moc

Zdaję sobie sprawę, że jest to prawdopodobnie bardzo częste pytanie, ale muszę to wyrazić własnymi słowami.

Staram się zrozumieć prawo Ohma z analogią wody. Dwa zbiorniki z wodą, jeden o wyższym poziomie niż drugi, oraz rura łącząca oba z nich. Woda chce płynąć. Jest zawór, który reprezentuje rezystor.

Moje zamieszanie zaczyna się, gdy zaczynam myśleć o rozpraszaniu ciepła w obwodzie elektrycznym. Skąd to ciepło faktycznie pochodzi?

Nie może pochodzić od ciśnienia, napięcia, ponieważ gdyby tak było, zawór powinien być bardzo gorący, jeśli w wyższym z dwóch zbiorników jest po prostu wystarczająca ilość wody, wywierając w ten sposób duży nacisk na zawór.

Czytałem, że ciepło pochodzi z faktycznego przepływu prądu, prądu. Na początku wydaje się to intuicyjne. Ale potem przechodzę do rozważenia, czym jest moc. To tutaj pojawia się zamieszanie. Ponieważ jeśli podwoję ciśnienie i podwoję opór, prąd pozostanie taki sam. Myślę, że oznaczałoby to, że rozpraszanie ciepła pozostanie takie samo.

Ale moc podwaja się. Co to właściwie oznacza?

Czy mój zbiornik spłynął do innego zbiornika z inną prędkością z powodu wyższej mocy, mimo że faktyczny przepływ prądu pozostał stały?

Czym jest moc?

Możesz pomyśleć o tym, co dzieje się z przepływem elektronów w drucie. Chociaż to nieprawda, spróbuj pomyśleć o elektronie jako cząstce mechanicznej. Ilekroć próbuje się poruszać drutem, uderza w coś, a kolizja wytwarza ciepło. Możesz więc pomyśleć o przeniesieniu energii z energii kinetycznej elektronu na ciepło (więc prędkość elektronu spada w tym momencie). Tak więc elektrony nie mają stałej prędkości przez cały czas, chociaż możemy powiedzieć, że mają średnią prędkość, a ta średnia prędkość zależy od rezystancji drutu, który jest dokładnie nad przeszkodami, na które uderza elektron.

Drut nie nagrzałby się, gdyby nie miał żadnego oporu. Tak więc drut nie zużywałby energii.

Kiedy podwoisz napięcie, a także podwoisz rezystancję, możesz pomyśleć, że pole elektryczne w przewodzie jest wyższe, więc elektron może osiągnąć większą prędkość szybciej niż przy niższym napięciu. Ale także opór jest wyższy, więc może mocniej uderzać w przeszkody. Średnia prędkość może być taka sama (prąd jest taki sam), ale teraz rozpraszasz więcej ciepła, ponieważ kolizje są silniejsze.

Jest to bardzo rażący sposób myślenia, ale może pomóc ci wyobrazić sobie, dlaczego niektóre rzeczy są takie, jakie są przez analogie.

Ponadto możesz myśleć o mocy jako dżulach na sekundę (wat). Tak więc odnosi się do pewnej jednostki energii na czas. W przykładzie omowym dotyczy to rozpraszania ciepła. Innymi słowy, ile energii marnuje się na ciepło w całym przewodzie. Jeśli myślisz o układach mechanicznych, moc może reprezentować, ile energii jest potrzebne do poruszenia czegoś (możesz obliczyć minimalną energię kinetyczną, aby osiągnąć pożądaną prędkość, a zatem obliczyć, ile energii należy przekazać do tego obiektu, aby osiągnąć tę prędkość). Ponieważ moc jest bezpośrednio związana z energią, możesz myśleć, że energia jest zawsze przenoszona z jednego sposobu na drugi. Moc może wskazywać, jak szybko to się dzieje.

W przypadku analogii mechanicznej należy traktować opór elektryczny jako tarcie mechaniczne , napięcie jako siłę , a prąd jako prędkość .

Załóżmy, że istnieje przedmiot podlegający tarciu, poruszający się ze stałą prędkością (jest to analogiczne do obwodu rezystancyjnego o stałym prądzie).

Musi być przyłożona siła (analogicznie do źródła napięcia) i przeciwna siła tarcia (analogicznie do napięcia na rezystorze).

Teraz, jak już pewnie zauważył tarcie zamienia energię kinetyczną na energię cieplną (myśleć jak hamulce nagrzewają się podczas zatrzymywania samochodu szybko z dużą prędkością).

Związana z tym moc to szybkość konwersji energii; to ile energii kinetycznej zamienia się w energię cieplną na sekundę .

$F_f$

To powinno być dla ciebie intuicyjne. Jeśli będziesz powoli przesuwać dłonie, nie poczujesz zbyt wiele ciepła. Jeśli szybko złączysz ręce, możesz je szybko rozgrzać.

Siła tarcia jest podawana przez:

$\mu$

Na koniec odpowiedzmy na twoje pytanie:

Ponieważ jeśli podwoję ciśnienie i podwoję opór, prąd pozostanie taki sam. Myślę, że oznaczałoby to, że rozpraszanie ciepła pozostanie takie samo.

Ale moc podwaja się. Co to właściwie oznacza ?

W naszej mechanicznej analogii, co się stanie, jeśli podwoimy tarcie (co jest analogiczne do podwojenia oporu) i założymy, że prędkość obiektu pozostaje taka sama (co jest analogiczne do prądu pozostającego niezmienionym)?

Siła tarcia podwaja się, a zatem moc pod wpływem siły tarcia podwaja się .

Mechanicznie jest to intuicyjne. Jeśli jedziesz samochodem ze stałą prędkością, a tarcie toczne nagle się podwaja, musisz podwoić moc silnika (mocniej nacisnąć pedał gazu), aby utrzymać prędkość .

Moc to przede wszystkim szybkość zmian energii. Gdyby energia była pieniądzem, utracona moc byłaby miesięcznymi wydatkami, a uzyskana moc byłaby miesięcznym dochodem. Jeśli oba są równe, nie zmienia się energia netto każdego miesiąca.

Ale czym tak naprawdę jest energia? Energia jest rzeczą, którą musisz wykonać, na przykład podnieść coś ciężkiego (na pole grawitacyjne), rozdzielić dwa magnesy (na pole magnetyczne) lub przemieścić naładowane cząstki (na pole elektryczne). To ten ostatni przykład dotyczy podstawowej energii elektrycznej.

Zwykle można zdefiniować pewien rodzaj cząstki, która jest wrażliwa i którą można popychać, będąc w polu, a pole jest po prostu sposobem wizualizacji i kwantyfikacji w stopniach swobody tej cząstki (jak współrzędne przestrzenne), jak silnie i w jakim kierunku jest popychany.

Fizyczne przemieszczanie tej cząsteczki przez pole wymaga energii. Jeśli zdefiniujesz dowolny punkt A w polu i obliczysz energię, aby przenieść cząstkę do innego punktu B, możesz powiedzieć, że punkt B ma potencjał równy tej energii. Ponieważ A było arbitralne, sensowne jest tylko mówienie o potencjalnych różnicach.

W kontekście pola elektrycznego wrażliwość cząstek (takich jak elektrony) na to pole nazywana jest ładunkiem, a jednostki nazywane są kulombami. Zatem potencjał ma jednostki energii / ładunku lub [Dżuli] / [Kulomb], czyli tyle samo, co Napięcie .

Więc jeśli masz potencjalną różnicę między punktami A i B w obwodzie (napięcie), a pewna ilość ładunku przechodzi z A do B z określoną szybkością (prądem), wtedy jest szybkość energii zużywane (moc). Tak naprawdę nie ma znaczenia, jak poszli od punktu A do punktu B (za pomocą drutu, rezystorów, diod, tranzystorów, powietrza, ołówka itp.), Liczy się tylko napięcie i prąd, a moc to ich produkt:

Możesz sprawdzić jednostki:

$P=V^2/R$$P=V\cdot I$$P=V^2/R$

Mam nadzieję, że do tej pory powinno być bardziej zrozumiałe, dlaczego bez prądu nie może być żadnej mocy (nie przemieszczasz żadnych naładowanych cząstek, więc nie wykonuje się żadnej pracy) i dlaczego moc nie zależy tylko od prądu (przenoszenie ładunków w poprzek potencjał zerowy nie wymaga żadnego „wysiłku”). Tak naprawdę chodzi o to, ile ładunków przenosisz na jednostkę czasu i ile potencjalnej różnicy.

Z definicji moc JEST prędkością, z jaką energia jest przenoszona lub zmieniana.
Jeśli weźmiesz to za podstawową zasadę, wszystkie inne pytania muszą mieć w związku z tym sens.
Jeśli pytanie nie „respektuje” tej definicji, to pytanie nie ma sensu.
Próbowanie zrozumienia odpowiedzi na bezsensowne pytania jest obarczone niebezpieczeństwem :-).

Nie może pochodzić od ciśnienia, napięcia, ponieważ gdyby tak było, zawór powinien być bardzo gorący, jeśli w wyższym z dwóch zbiorników jest po prostu wystarczająca ilość wody, wywierając w ten sposób duży nacisk na zawór.

Masz ciśnienie, ale nie masz przepływu. Energia nie jest przesyłana - energia nie jest wymagana.

Czytałem, że ciepło pochodzi z faktycznego przepływu prądu, prądu. Na początku wydaje się to intuicyjne. Ale potem przechodzę do rozważenia, czym jest moc. To tutaj pojawia się zamieszanie. Ponieważ jeśli podwoję ciśnienie i podwoję opór, prąd pozostanie taki sam. Myślę, że oznaczałoby to, że rozpraszanie ciepła pozostanie takie samo. Ale moc podwaja się. Co to właściwie oznacza?

Podążaj za energią.
Ponieważ I = V / R = 2 V / 2R prąd nie zmieni się, gdy zarówno V, jak i R zostaną podwojone.
ALE energia wymagana do przepchnięcia tego samego prądu przez rurę o podwójnej rezystancji jest podwójna. Tak?
tzn. podwoić zarówno ciśnienie, jak i opór -> prąd jest taki sam, ale natężenie przepływu energii jest podwojone, więc moc jest podwojona.

Zauważ, że Moc

= VI = V ^ 2 / R = I ^ 2R.

Te formuły są funkcjonalnie identyczne i są wymienne.
Możesz przejść od jednego do drugiego, po prostu zastępując zmienne.
Jeśli któryś z nich ma dla ciebie sens, resztę można wyprowadzić z niego po prostu podłączając warianty dla zmiennych opartych na prawie Ohma.

np.
P = V x I Ale V = IR
Więc P = IR x I = I ^ 2R

P = I ^ 2R Ale I = V / R Więc P = (V / R) ^ 2 = V ^ 2 / R

Jeśli jesteś zadowolony z „wyjaśnienia” mocy przez którekolwiek z VI, V ^ 2 / R lub I ^ R, to powyższe pozwala pokazać, że pozostałe są identyczne.

P = V x I
Szybkość energii jest proporcjonalna do ilości wypychanych rzeczy i tego, jak mocno jest popychana.

P = I ^ 2R
Szybkość energii jest proporcjonalna do tego, jak twarde rzeczy są wypychane, ALE proporcjonalne do kwadratu, ile rzeczy są wypychane, ponieważ kiedy podwoisz ilość rzeczy przepchniętych przez daną rurę, nie tylko dostajesz tyle rzeczy na raz, ALE jest to dwa razy trudniejsze do popchnięcia.

P = V ^ 2 / R
Szybkość energii jest proporcjonalna do kwadratu siły pchającej, ALE odwrotnie proporcjonalna do tego, jak trudno jest ją pchać.
1 / R jest łatwe, ponieważ mniej wysiłku = mniejsze zużycie energii.
Jeśli podwoisz zastosowaną siłę, podwoisz ilość użytej siły, więc szybkość energii wzrośnie, ALE prędkość przepływu również podwaja się (I = V / R), więc musisz naciskać dwa razy dwa razy mocniej, stąd V ^ 2.

To wszystko ma sens.
Wszystko jest spójne.
Wszystko to można przekonwertować na różne sposoby.
Za każdym razem, gdy którakolwiek z tych 3 postaci nie wydaje się prawdą, zaatakuj „powód”, który tak się nie wydaje, a przekonasz się, że rozumowanie ma wadę.
np. w pierwszym podanym przykładzie nie było przepływu prądu, więc brak transferu energii, więc brak mocy.