Физика Работа и мощность электрического тока. Работа тока
Материалы к уроку
Конспект урока
Электрический ток получил широкое применение потому, что он несет с собой электрическую энергию, которую можно преобразовать в работу или во внутреннюю энергию.
При упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Эту работу принято называть работой тока.
Если за промежуток времени t через поперечное сечение произвольного участка проводника проходит заряд q, то электрическое поле совершает работу. Чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд, пошедший по нему. Т.е. A= q*U (а равно кью умножить на у), где U – напряжение на концах проводника, а q – величина прошедшего заряда, А – работа.
Так как сила тока определяется
I = q/t(и равно кью деленое на тэ), то заряд можно выразить q = I∙t, тогда работа будет
A = I∙U∙t(а равно и у тэ)
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течение которого совершалась работа.
Проведем опыт 1. Соберем цепь, состоящую из источника (4,5 В), лампочки (на 3 В), амперметра, включенного последовательно с лампочкой, вольтметра, включенного параллельно лампочке и выключателя. Кроме того, мы будем измерять время по секундомеру. Включим цепь и произведем замеры во время прохождения тока в течение 5 минут (300 с).
Получили:
I=0,25A ; U= 3B ; t = 300c
Вычислим работу: Работа электрического тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на этом участке и времени, в течение которого совершалась работа: 0,25А∙3В∙300с=225 Дж
Мощность тока. Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенного количества энергии за какой-то промежуток времени. Поэтому наряду с работой тока, важное значение имеет понятие мощность тока. Мощностью электрического тока называется отношение работы за время к этому интервалу времени: P = A/t Или заменив работу по ранее полученной формуле, будем иметь: P = I*U*t/t = I*U ,т.е. получаем новое выражение для мощности тока: Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение: P = I*UИспользуют единицы мощности, которые кратны ватту:
1(гектоватт) гВт=100 Вт,
1(киловатт) кВт=1000 Вт,
1(мегаватт) МВт=1000 000 Вт
Проведем опыт 2. Соберем такую же цепь, как в опыте 1 и практически повторим его. Мы получим (как и ранее) 225 Дж работы за 300с. Найдем мощность электрического тока: разделим 225 Дж на 300 с и получим 0,75 Вт
Мощность электрического тока измеряется с помощью амперметра и вольтметра.
Но существуют и специальные приборы, которые измеряют мощность электрического тока — ваттметры.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать педагогаОставить заявку на подбор
Калькулятор перевода силы тока в мощность, ампер в ватты
Для расчёта нагрузки на электрическую сеть и затрат электроэнергии можно использовать специальный калькулятор перевода силы тока в мощность. Такая функция появилась недавно, значительно облегчив ручное определение.
Хотя формулы известны давно, далеко не все хорошо знают физику, чтобы самостоятельно определять силу тока в сети. Калькулятор помогает с этим, поскольку для работы достаточно знать напряжение и мощность.
Содержание
- Что такое мощность Ватт [Вт]
- Что такое Сила тока.
Ампер [А] - Сколько Ватт в 1 Ампере?
- Таблица перевода Ампер – Ватт
- Зачем нужен калькулятор
- Как пользоваться
Ампер [А]Что такое мощность Ватт [Вт]
Мощность — величина, определяющая отношение работы, которую выполняет источник тока, за определённый промежуток времени. Один ватт соответствует произведению одного ампера на один вольт, но при определении трат на электроэнергию используется величина киловатт/час.
Она соответствует расходу одной тысячи ватт за 60 минут работы. Именно по этому показателю определяется стоимость услуг электроэнергии.
В большинстве случаев мощность, которую потребляет прибор, указана в технической документации или на упаковке. Указанное количество производится за один час работы.
Например, компьютер с блоком питания 500 Вт будет крутить 1 кВт за 2 часа работы.
Помочь определить силу тока при известной мощности поможет калькулятор, который делает перевод одной физической величины в другую.
Что такое Сила тока. Ампер [А]
Сила тока представляет собой скорость, с которой электрический заряд течёт по проводнику. Один ампер равен заряду в один кулон, который проходит через проводник за одну секунду. Один кулон представляет собой очень большой заряд, поэтому в большинстве устройств эта величина измеряется в миллиамперах.
Сила тока зависит от сечения проводника и его длины. Это необходимо учитывать при планировке сооружений, а также выборе электрических приборов. Хотя большинству не следует задумываться на этот счёт, поскольку это задача инженеров и проектировщиков.
Сколько Ватт в 1 Ампере?
Для определения мощности цепи также важно понятие напряжения. Это электродвижущая сила, перемещающая электроны. Она измеряется в вольтах.
Большинство приборов имеют в документации эту характеристику.
Чтобы определить мощность при силе тока в один ампер, необходимо узнать напряжение сети. Так, для розетки в 220 вольт получится: P = 1*220 = 220 Вт. Формула для расчёта: P = I*U, где I — сила тока, а U — напряжение. В трёхфазной сети нужно учитывать поправочный коэффициент, отражающий процент эффективности работы. В большинстве случаев он составляет от 0,67 до 0,95.
Таблица перевода Ампер – Ватт
Для перевода ватт в амперы необходимо воспользоваться предыдущей формулой, развернув её. Чтобы вычислить ток, необходимо разделить мощность на напряжение: I = P/U. В следующей таблице представлена сила тока для приборов с различным напряжением — 6, 12, 24, 220 и 380 вольт.
Помните, что для сетей с высоким напряжением, указанная сила тока отличается в зависимости от коэффициента полезного действия.
Таблица соотношения ампер и ватт, в зависимости от напряжения.
| 6В | 12В | 24В | 220В | 380В | |
| 5 Вт | 0,83А | 0,42А | 0,21А | 0,02А | 0,008А |
| 6 Вт | 1,00А | 0,5А | 0,25А | 0,03А | 0,009А |
| 7 Вт | 1,17А | 0,58А | 0,29А | 0,03А | 0,01А |
| 8 Вт | 1,33А | 0,66А | 0,33А | 0,04А | 0,01А |
| 9 Вт | 1,5А | 0,75А | 0,38А | 0,04А | 0,01А |
| 10 Вт | 1,66А | 0,84А | 0,42А | 0,05А | 0,015А |
| 20 Вт | 3,34А | 1,68А | 0,83А | 0,09А | 0,03А |
| 30 Вт | 5,00А | 2,5А | 1,25А | 0,14А | 0,045А |
| 40 Вт | 6,67А | 3,33А | 1,67А | 0,13А | 0,06А |
| 50 Вт | 8,33А | 4,17А | 2,03А | 0,23А | 0,076А |
| 60 Вт | 10,00А | 5,00А | 2,50А | 0,27А | 0,09А |
| 70 Вт | 11,67А | 5,83А | 2,92А | 0,32А | 0,1А |
| 80 Вт | 13,33А | 6,67А | 3,33А | 0,36А | 0,12А |
| 90 Вт | 15,00А | 7,50А | 3,75А | 0,41А | 0,14А |
| 100 Вт | 16,67А | 3,33А | 4,17А | 0,45А | 0,15А |
| 200 Вт | 33,33А | 16,66А | 8,33А | 0,91А | 0,3А |
| 300 Вт | 50,00А | 25,00А | 12,50А | 1,36А | 0,46А |
| 400 Вт | 66,66А | 33,33А | 16,7А | 1,82А | 0,6А |
| 500 Вт | 83,34А | 41,67А | 20,83А | 2,27А | 0,76А |
| 600 Вт | 100,00А | 50,00А | 25,00А | 2,73А | 0,91А |
| 700 Вт | 116,67А | 58,34А | 29,17А | 3,18А | 1,06А |
| 800 Вт | 133,33А | 66,68А | 33,33А | 3,64А | 1,22А |
| 900 Вт | 150,00А | 75,00А | 37,50А | 4,09А | 1,37А |
| 1000 Вт | 166,67А | 83,33А | 41,67А | 4,55А | 1,52А |
Используя таблицу также легко определить мощность, если известны напряжение и сила тока.
Это пригодится не только для расчёта потребляемой энергии, но и для выбора специальной техники, отвечающей за бесперебойную работу или предотвращающей перегрев.
Зачем нужен калькулятор
Онлайн-калькулятор применяется для перевода двух физических величин друг в друга. Перевести амперы в ватты при помощи такого калькулятора — минутное дело. Сервис позволит быстро вычислить необходимую характеристику прибора, определить электроэнергию, которую будет расходовать техника за час работы.
Как пользоваться
Чтобы перевести ток в мощность, достаточно ввести номинальное напряжение и указать вторую известную величину. Калькулятор автоматически рассчитает неизвестный показатель и выведет результат.
Узнать напряжение и стандартную силу тока можно в технической документации устройства. Для приборов бытовой техники обычно указывается мощность, из которой также легко вычислить ток. Для удобства в калькуляторе можно переключать ватты на киловатты, а ампера на миллиамперы.
Читайте далее:
ЗаконОм: связь между напряжением, сопротивлением, мощностью и током | Джейсон Холл
Чтение: 4 мин.
·
26 июня 2020 г.
В начале 19 века немецкий физик Георг Ом обнаружил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на проводнике. Это открытие легло в основу того, что стало известно как закон Ома, который описывает взаимосвязь между напряжением (В), током (I) и сопротивлением (R):
Закон Ома легко запомнить, если запомнить приведенную ниже пирамиду. Просто закройте значение, которое вы хотите найти, и будет показан требуемый расчет. Примеры: чтобы найти напряжение, закройте V, и ответ будет I x R. Чтобы найти ток, закройте I, и ответ будет V/R. Чтобы найти сопротивление, закройте R, и ответ будет V/I.
Колесо формул закона Ома показывает расчеты, необходимые для определения напряжения, тока, сопротивления, а также мощности.
Мощность – это скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи.
Чтобы использовать колесо формул, вам нужно знать только две переменные, чтобы найти третью. Например, если вы знаете ток и сопротивление в цепи, вы можете рассчитать мощность, вырабатываемую путем возведения тока в квадрат и умножения его на сопротивление: I² x R.
Электродвижущей силой, или ЭДС, можно считать давление, которое заставляет электроны течь в электрической цепи. ЭДС может упоминаться как напряжение, разность электрических потенциалов, электрическое давление или электрическое напряжение. В Международной системе единиц ЭДС измеряется в вольтах ( В ).
Электрическое сопротивление ( R ) материала является мерой его сопротивления протеканию тока. Единицей сопротивления в системе СИ является ом. Хотя все материалы сопротивляются электрическому току, некоторые материалы имеют очень низкое сопротивление (проводники), а другие имеют очень высокое сопротивление (изоляторы).
Факторами, влияющими на сопротивление материала, являются его удельное сопротивление, его ширина, длина и температура. Каждый материал имеет определенное удельное сопротивление, которое является мерой того, насколько сильно он сопротивляется или проводит электрический ток. Широкий проводник имеет меньшее сопротивление, чем узкий проводник, а длинный проводник имеет большее сопротивление, чем короткий (см. аналогию с водой ниже). Холодный проводник имеет меньшее сопротивление, чем теплый, из-за влияния температуры на электроны внутри проводника: в холодной среде электроны меньше сталкиваются друг с другом, чем при более высокой температуре, что позволяет им перемещаться от атома к атом, несущий свой заряд более эффективно.
Электрическая мощность ( P ) — это скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. Другой способ думать об электроэнергии состоит в том, что это скорость выполнения работы, измеряемая в ваттах. Один ватт — это скорость, с которой совершается работа, когда ток в один ампер протекает по цепи с электрическим потенциалом (напряжением) в один вольт.
Мощность обычно измеряется в киловаттах в час или киловатт-часах (кВтч).
Электрический ток ( I ) скорость потока электрического заряда. Единицей силы тока в системе СИ является ампер или ампер. Ампер определяется как поток электрического заряда в один кулон в секунду, где кулон является единицей электрического заряда в системе СИ.
Как было сказано ранее, электрический ток — это скорость потока заряда. Заряд — это фундаментальное свойство электричества, присутствующее в электронах и протонах. Из уроков физики мы знаем, что протоны заряжены положительно, а электроны — отрицательно. Когда эти частицы движутся, возникает электрический ток.
Чтобы лучше понять разницу между напряжением, сопротивлением, током и мощностью, полезно представить себе электричество как воду, текущую по трубе. Напряжение похоже на давление, которое гонит воду по трубе, в то время как сопротивление можно рассматривать как ограничение потока воды внутри трубы из-за таких факторов, как ширина трубы и длина трубы.
Узкая труба создает большее сопротивление, чем более широкая труба, а более длинная труба создает большее сопротивление, чем более короткая. Ток — это расход воды, где мощность можно рассматривать как работу, которую может выполнять поток воды, например, вращение крыльчатки в насосе.
- Закон Ома, V = IR описывает взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением.
- Напряжение также известно как разность электрических потенциалов (ЭДС), электрическое давление или электрическое напряжение и измеряется в вольтах.
- Сопротивление является мерой сопротивления материалов протеканию тока и измеряется в омах. На сопротивление влияет удельное сопротивление материала, его форма и температура.
- Электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия передается по цепи, и измеряется в ваттах. Его также можно рассматривать как скорость выполнения работы.
- Ток — это скорость потока электрического заряда, измеряемая в амперах.
- Электрический заряд переносится отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами внутри атома.
- Поведение электричества аналогично поведению воды в трубе.
Заряд, ток, напряжение | Вращающиеся числа
Заряд, ток и напряжение являются краеугольными камнями понятия электричества. Мы создаем наши первые ментальные модели для этих основных электрических величин.
Содержимое
- Плата
- Проводники, изоляторы, полупроводники
- Текущий
- Напряжение
- Мощность
Куда мы направляемся
Ток — это поток заряда. Это похоже на течение воды в реке или садовом шланге. Ключевое отличие в том, что есть один тип воды, но есть два типа заряда, движущихся в противоположных направлениях.
Напряжение — почетное наименование Разность электрических потенциалов . Напряжение похоже на изменение потенциальной энергии, которое происходит с массой, когда ее поднимают или опускают.
Электрическая мощность представляет собой произведение напряжения и силы тока, $p = i \, v$, в ваттах.
Зарядка
Наше понимание электричества происходит от внимательного наблюдения за природой. Все началось с статического электричества , также называемого электростатикой , когда вы трете материалы друг о друга, как воздушный шар о свитер. Мы наблюдаем силу между натираемыми предметами. это электрическая сила , кажется, действует на расстоянии (объекты не обязательно должны соприкасаться). Таким образом, электрическая сила имеет сходство с гравитацией. Хотя электрическая сила невидима, мы знаем, что она есть, потому что мы видим, чувствуем и измеряем притяжение или отталкивание. Ученые придумали название тому, что вызывает эту силу. Мы называем это зарядом .
Если вы достаточно долго возитесь со статическим электричеством, то в конце концов придете к выводу, что существует два типа электрического заряда. Взаимодействие между двумя типами улавливается этим самым основным правилом электричества,
Противоположные заряды притягиваются; подобные заряды отталкивают .
Сравните это с гравитацией. Гравитация имеет только один тип; это только привлекает. Гравитация никогда не отталкивает. Наш повседневный опыт позволяет нам близко познакомиться с гравитацией, но электричество может показаться странным. Электрический заряд может притягивать и отталкивать . Нужно немного привыкнуть. См. эту статью для получения более подробной информации о том, как измеряется заряд.
Проводники, изоляторы, полупроводники
Проводники — это атомы, внешние электроны которых (валентные электроны) имеют относительно слабые связи с их ядрами, как показано на этом причудливом изображении атома меди. Когда группа атомов металла находится вместе, они с радостью делятся своими внешними электронами друг с другом. Металлы имеют облако или «рой» электронов, не связанных с конкретным ядром. Очень малая электрическая сила может заставить электронный рой двигаться с током. Медь, золото, серебро и алюминий являются хорошими проводниками.
Есть и относительно плохие проводники. Вольфрам — металл, используемый для нити накаливания в лампе накаливания — является относительно плохим проводником по сравнению с медью. Когда вы подаете напряжение на вольфрамовую нить, она сопротивляется потоку тока и сильно нагревается. Углерод в форме графита, используемый в карандашах, является относительно плохим проводником. Электроны в этих материалах с меньшей вероятностью вырвутся из атома. (Экзотическая форма углерода, называемая графеном, оказалась превосходным проводником).
Изоляторы — это материалы, внешние электроны которых прочно связаны с их ядрами. Скромные напряжения не могут вырвать электроны на свободу. Когда к изолятору прикладывается напряжение, электронные облака вокруг атомов растягиваются и деформируются, но электроны не уходят. Стекло, пластик, камень и воздух являются изоляторами. Однако даже для изоляторов электрическая сила всегда может быть достаточно высокой, чтобы оторвать электроны — мы называем это пробоем.
Вот что происходит с молекулами воздуха, когда вы видите искру.
Полупроводниковые материалы имеют свойства проводимости, находящиеся между изоляторами и проводниками. Чистые полупроводники действуют как изоляторы. Мы можем заставить их вести себя как проводники, добавляя небольшое количество примесных атомов и прикладывая к ним напряжение. Самым известным полупроводниковым материалом является кремний (атомный номер $14$, сразу после углерода). Мы знаем, как точно контролировать изолирующие и проводящие свойства кремния, что позволяет изобретать современные чудеса, такие как компьютеры и мобильные телефоны. Детали работы полупроводниковых устройств на атомном уровне регулируются теориями квантовой механики.
Ток
Ток — это поток заряда.
Заряд течет током.
Почему ты сказал это дважды? Обратите внимание на тщательную грамматику. Текущий — это поток. Технически правильнее говорить «течет заряд», чем «течет ток». Однако среди инженеров распространена привычка говорить «течет ток».
Это настолько укоренившаяся привычка, что это вполне приемлемая инженерная болтовня, если вы помните, что на самом деле движется заряд.
Когда мы даем число для тока, оно сообщается как количество зарядов в единицу времени, проходящих через границу. Чтобы визуализировать ток, представьте, что по всему проводу проходит граница. Станьте возле границы и посчитайте количество проходящих зарядов. Подсчитайте, сколько заряда прошло через границу за одну секунду, и сообщите это как ток. Мы говорим, что направление тока — это направление, в котором будет двигаться
Мы указываем текущую стрелку в противоположном направлении движения электронов. Это может показаться неприятным, но мы заставим это работать. Это определение часто вызывает путаницу у новичков и людей, изучавших электричество в военных или некоторых технических школах.
Например, в программе NEETS ВМС США в 1960-х годах использовалось противоположное соглашение, согласно которому ток определялся в направлении движения электрона.
Мы не используем его ни здесь, в Spinning Numbers, ни в большей части мира электротехники. Подробнее об этом позже, когда мы будем говорить об обычном направлении тока.
Поскольку ток представляет собой количество заряда, прошедшего через границу за некоторый период времени, его можно выразить в общих чертах с помощью этих обозначений из исчисления:
$i = \dfrac{dq}{dt}$
Термин “ электрический ток» впервые применил Андре-Мари Ампер. Символ текущего — $i$. Оно происходит от первой буквы французской фразы intensité du courant électrique .
Что означает $d$?$d$ в ${dq}/{dt}$ — это запись из исчисления, это означает дифференциал . Вы можете думать, что $d$ означает «незначительное изменение в…»
Например, выражение $dt$ означает крошечное изменение во времени . Когда вы видите $d$ в соотношении, таком как $dq/dt$, это означает «крошечное изменение в $q$ (плата) за каждое крошечное изменение в $t$ (время)». Выражение типа $dq/dt$ называется производной, и это то, что вы изучаете в дифференциальном исчислении.
В исчислении $d$ представляет небольшую сумму сдачи, настолько малую, что приближается к $0$. Чуть дальше в этой статье вы увидите изменение, обозначенное символом $\Delta$, так как в $\Delta h$ это изменение высоты. Мы используем $\Delta$ для обозначения большого конечного изменения, например, $1$ метра или $1$ секунды. И мы используем $d$ для обозначения крошечного изменения почти нулевого размера.
Модели $q$ заряжаются сплошным веществомВам не нужно это читать. Это слишком сложно для начинающих.
При моделировании заряда с непрерывной переменной $q$ мы должны принять небольшое противоречие. В математическом обозначении $dq$ — это бесконечно малая величина заряда. Но вы знаете, что самая маленькая заряженная частица — это электрон или протон. Они малы, но не бесконечно малы. И током на атомном уровне являются эти маленькие кусочки заряда, а не сплошная субстанция, которая может иметь любую ценность.
Когда мы моделируем заряд с помощью математики $(q)$, нет никакого смысла в том, что заряд существует в виде электронов.
Так люди думали о заряде до открытия электрона и протона. Считалось, что это непрерывная переменная, не квантованная до электронов или протонов. Когда мы определяем ток в исчислении как $dq/dt$, это моделирует заряд как непрерывное число.
Это похоже на то, как мы думаем о воде. Если у вас есть ведро воды, вы думаете о нем как о сплошной субстанции, а не о наборе молекул. В ведрах воду не «считаешь», меришь чашками или литрами. Но если вы опуститесь на атомный уровень, вода — это молекулы, которые вы можете сосчитать. Если ваше ведро полно песка, частицы крупнее, но вы все равно относитесь к песку как к непрерывной жидкости. Если это ведро с камнями, вы можете относиться к нему так или иначе.
В статье Википедии об электрическом токе вы видите определение $I = Q/t$, а не $i = dq/dt$ (на изображении справа). Автор изо всех сил старается избежать использования исчисления в простом эссе. Точно так же вы можете говорить о наклоне прямой линии, не прибегая к исчислению, подъему/бегу.
Но, как вы знаете, когда речь идет о изогнутых функциях, исчисление лучше описывает «мгновенный наклон». EE часто имеет дело с извилистыми синусоидальными и экспоненциальными волнами, поэтому нам нужны математические обозначения, когда речь идет о схемах $\text{RC}$ и реальных сигналах.
Но давайте признаем, что ток (в проводах) переносится электронами. Предположим, вы выбираете очень короткий интервал времени и измеряете ток. Если за это время через границу не проходит ни один заряд, то технически ток равен $0$ в течение этого интервала.
Технически правильно, но не очень полезно. Вы можете провести тот же мысленный эксперимент со шлангом для воды. Поместите воображаемую границу через конец шланга. Вы можете выбрать настолько короткий временной интервал, что $0$ молекул воды пересекут границу за это время. Верно, но не так полезно. Полезнее начать с большего временного интервала, подсчитать несколько молекул воды, чтобы получить реальный ток, а затем сжать временной интервал до тех пор, пока он не станет настолько малым, насколько это необходимо для вашего исследования.
По расчетам это с ограничением .
Путаница возникает, когда вы моделируете заряд как непрерывную величину и берете предел $(\Delta Q$, уменьшающийся до $dq$, и $\Delta T$, уменьшающийся до $dt)$, который игнорирует тот факт, что при очень малых шкала $q$ фактически квантуется (электроны).
В повседневном ЭЭ мы относимся к заряду и току как к непрерывным величинам, как к ведру воды. Мы очень редко считаем отдельные электроны. В большинстве наших цепей миллионы электронов, так что это хорошая модель.
Короче говоря, это актуально.
Что проводит ток в металле? Поскольку в металлах электроны могут свободно перемещаться, а атомы металлов — нет, ток в металлах состоит из движущихся электронов. Несмотря на то, что электроны выполняют работу в большинстве электронных цепей, мы указываем стрелку тока в том направлении, в котором двигался бы положительный заряд . Это очень старая историческая условность. Это требует некоторого привыкания, но вы можете это сделать.
Это просто означает, что текущая стрелка указывает туда, куда приходят электроны 9-$ ионы. Оба иона реагируют на электрическую силу и движутся в соленой воде в противоположных направлениях. В соленой воде ток состоит из движущихся атомов, как положительных, так и отрицательных ионов, а не свободных электронов. Электрические токи внутри наших тел — это движущиеся ионы. То же определение текущих работ: подсчитать количество зарядов, проходящих мимо за фиксированный промежуток времени.
Какова скорость течения? Мы не очень часто говорим о скорости тока. Отвечая на вопрос: «С какой скоростью течет ток?» действительно сложно и редко актуально. Ток измеряется не метрами в секунду, а количеством заряда в секунду. Мы хотим знать: «Как много течет ток?», а не как быстро . Когда мы говорим о том, как быстро что-то движется в электричестве, мы думаем о том, как быстро возмущение движется по проводу или воздуху, а не о том, как быстро физически движутся электроны.
Электрические возмущения распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Если вы бросите камешек в пруд, вы увидите рябь, движущуюся по его поверхности. Рябь (возмущение) движется быстро, но молекулы воды практически не двигаются.
Как должен говорить о текущем? При обсуждении тока такие термины, как от до и в , имеют смысл. Ток течет через резистор ; ток течет в провод. Если вы слышите «ток через…», это должно звучать смешно (например, смешно/нечетно). Слова «насквозь» и «через» используются для обозначения напряжения, а не тока. Если вы слышите «скорость течения», это тоже должно звучать смешно.
Напряжение
Чтобы получить наше первоначальное представление о концепции напряжения, мы проводим аналогию,
Напряжение похоже на гравитацию.
Вот как работает гравитационная потенциальная энергия:
Для массы $m$ изменение высоты $h$ соответствует изменению потенциальной энергии, $\Delta U = mg\Delta h$.
Вот как работает напряжение:
Для заряженной частицы $q$ напряжение $V$ соответствует изменению потенциальной энергии, $\Delta U = qV$.
Напряжение в электрической цепи аналогично произведению $g\cdot\Delta h$. Где $g$ — ускорение свободного падения, а $\Delta h$ — изменение высоты.
Мяч с вершины холма скатывается вниз. Когда он находится на полпути вниз, он потерял половину своей потенциальной энергии.
Электрон на вершине «холма» напряжения движется «вниз» по проводам и элементам цепи. Он отдает свою потенциальную энергию, совершая по пути работу. Когда электрон находится на полпути вниз по склону, он отказался или «потерял» половину своей потенциальной энергии.
И для шара, и для электрона спуск с горы происходит спонтанно. Шарик и электрон сами по себе переходят в более низкое энергетическое состояние. Во время спуска мяч может столкнуться с препятствиями, такими как деревья или медведи, от которых нужно отскакивать. Мы направляем электроны с помощью проводов и позволяем им течь через электронные компоненты, делая по пути интересные вещи.
Мы называем это схемотехникой.
Почему бы вам просто не описать напряжение в научных терминах?
Напряжение — сложная концепция. Очень трудно придумать простое описание напряжения с точки зрения фундаментальных электрических сил. Я не встречал простого описания, которое предлагало бы это счастливое «Ага!» момент. Электричество — это довольно загадочная сила, так что наберитесь терпения, позвольте чуду побыть какое-то время.
Самый распространенный способ получить представление о напряжении — это аналогия. Аналогия сильна, если она имитирует основной принцип и помогает вам предсказывать новые вещи. Аналогия «напряжение похоже на гравитацию» в этой статье не идеальна, но одна из лучших. Это хорошее место для начала.
Границы этой аналогии Аналогии могут быть натянуты. Аналогия с гравитацией становится натянутой, потому что заряженные частицы — это не то же самое, что катящиеся шары в одном очень важном аспекте.
Катящиеся шарики не отталкиваются друг от друга, но электроны сильно отталкиваются друг от друга. Мячи, катящиеся с горки, ведут себя не совсем так, как толпа электронов.
По мере того, как вы будете углубляться в электронику, вы начнете думать о напряжении с точки зрения законов электричества, а не аналогии с гравитацией. Полное определение напряжения довольно сложно. Мы говорим об этом в конце раздела [Электростатика](/t/topic-electrostatics.html).
Если вы встретите аналогию, которая улучшит ваше понимание, обязательно примите ее. Но не любите его слишком сильно или слишком долго.
Я все еще не совсем понимаю понятие напряжения. Понятие тока проще для понимания по сравнению с напряжением. Если напряжение вызывает недоумение, не расстраивайтесь. Все инженеры, которых я знаю, начинали с туманного представления о напряжении, включая меня. Напряжение — это концепция, с которой нужно время, чтобы подружиться.
Мне нравится, как профессор Ричард Фейнман, великий физик и педагог из Калифорнийского технологического института, описывает электричество в этом 9- минутный отрывок из интервью 1983 года Британской радиовещательной корпорации (BBC).
Наслаждайтесь этим, когда у вас есть свободное время.
Напряжение между двумя точками математически выражается как изменение потенциальной энергии заряда,
$V = \dfrac{\Delta U}{q}$
Символ $\Delta$ означает «изменение» некоторое количество.
Это краткое интуитивное описание напряжения.
Мощность
Мощность определяется как скорость преобразования или передачи энергии во времени. Мощность измеряется в джоулях в секунду. Джоуль в секунду также известен как Вт .
$1 \,\text{ватт} = 1\,\text{джоуль}/\text{секунда}$
В исчислении мощность записывается следующим образом<
$\text{мощность} = \dfrac{ dU}{dt}$
, где $U$ — энергия, а $t$ — время.
Электрическая цепь способна передавать энергию из одного места в другое. Мощность — это тепло, которое вы чувствуете, когда кладете руку рядом с лампочкой или нагревается ваш мобильный телефон.
Напряжение измеряет энергию, передаваемую на единицу заряда, $dU/dq$.