Ich verstehe nicht, was Macht eigentlich ist

Mir ist klar, dass dies wahrscheinlich eine sehr häufige Frage ist, aber ich muss sie in meine eigenen Worte fassen.

Ich versuche, das Ohmsche Gesetz mit der Wasseranalogie zu verstehen. Zwei Tanks mit Wasser, einer mit höherem Füllstand als der andere, und ein Rohr, das die beiden verbindet. Wasser will fließen. Es gibt ein Ventil, das einen Widerstand darstellt.

Die Sache, die meine Verwirrung beginnt, ist, wenn ich anfange, über die Wärmeableitung in einem Stromkreis nachzudenken. Woher kommt diese Wärme eigentlich?

Es kann nicht vom Druck, der Spannung, kommen, denn wenn dies der Fall ist, sollte das Ventil extrem heiß sein, wenn sich einfach genug Wasser im höheren der beiden Tanks befindet, wodurch viel Druck auf das Ventil ausgeübt wird.

Ich habe gelesen, dass die Wärme aus dem tatsächlichen Stromfluss, dem Strom, stammt. Dies scheint zunächst intuitiv zu sein. Aber dann überlege ich, was Macht ist. Hier setzt die Verwirrung ein. Denn wenn ich den Druck und den Widerstand verdopple, bleibt der Strom gleich. Ich würde denken, dies würde bedeuten, dass die Wärmeableitung gleich bleibt.

Aber die Kraft verdoppelt sich. Was bedeutet das dann eigentlich?

Ist mein Tank aufgrund der höheren Leistung mit einer anderen Geschwindigkeit in den anderen Tank abgelassen worden, obwohl der tatsächliche Stromfluss konstant geblieben ist?

Was ist Macht?

Sie können sich vorstellen, was mit dem Elektronenfluss im Draht passiert. Obwohl dies nicht der Fall ist, versuchen Sie, sich das Elektron als mechanisches Teilchen vorzustellen. Immer wenn es versucht, sich innerhalb des Drahtes zu bewegen, trifft es auf etwas und diese Kollision erzeugt Wärme. Sie können sich also eine Energie vorstellen, die von der kinetischen Energie des Elektrons auf die Wärme übertragen wird (sodass die Elektronengeschwindigkeit in diesem Moment abnimmt). Die Elektronen haben also nicht immer eine konstante Geschwindigkeit, obwohl wir sagen können, dass sie eine Durchschnittsgeschwindigkeit haben, und diese Durchschnittsgeschwindigkeit hängt vom Widerstand des Drahtes ab, der genau diesen Hindernissen entspricht, auf die das Elektron trifft.

Der Draht würde nicht heiß werden, wenn er keinen Widerstand hätte. Der Draht würde also keinen Strom verbrauchen.

Wenn Sie die Spannung verdoppeln und auch den Widerstand verdoppeln, denken Sie möglicherweise, dass das elektrische Feld im Draht höher ist, sodass das Elektron schneller eine hohe Geschwindigkeit erreichen kann als bei niedrigerer Spannung. Aber auch der Widerstand ist höher, so dass er seine Hindernisse stärker treffen kann. Die Durchschnittsgeschwindigkeit kann also gleich sein (Strom ist gleich), obwohl Sie jetzt mehr Wärme abführen, weil die Kollisionen stärker sind.

Dies ist eine sehr grobe Denkweise, aber es kann Ihnen helfen, sich vorzustellen, warum die Dinge nach einigen Analogien so sind, wie sie sind.

Sie können sich Leistung auch als Joule pro Sekunde (Watt) vorstellen. Es bezieht sich also auf eine Energieeinheit pro Zeit. Im Beispiel des Ohmschen Gesetzes gilt dies für die Wärmeableitung. Mit anderen Worten, wie viel Energie in der Wärme im gesamten Draht verschwendet wird. Wenn Sie an mechanische Systeme denken, kann die Leistung angeben, wie viel Energie erforderlich ist, um etwas zu bewegen (Sie können die minimale kinetische Energie berechnen, um eine gewünschte Geschwindigkeit zu erreichen, und so berechnen, wie viel Energie Sie auf dieses Objekt übertragen sollten, um diese Geschwindigkeit zu erreichen). Da Energie direkt mit Energie zusammenhängt, können Sie denken, dass Energie immer von einer Art auf eine andere übertragen wird. Die Stromversorgung kann anzeigen, wie schnell diese Dinge geschehen.

Stellen Sie sich für eine mechanische Analogie den elektrischen Widerstand als mechanische Reibung , die Spannung als Kraft und den Strom als Geschwindigkeit vor .

Angenommen, es gibt ein Objekt, das Reibung ausgesetzt ist und sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt (dies ist analog zu einer Widerstandsschaltung mit konstantem Strom).

Es muss eine aufgebrachte Kraft (analog zu einer Spannungsquelle) und eine entgegengesetzte Reibungskraft (analog zu der Spannung am Widerstand) vorhanden sein.

Wie Sie sicherlich bemerkt haben, wandelt Reibung kinetische Energie in Wärmeenergie um (denken Sie daran, wie heiß die Bremsen werden, wenn Sie Ihr Auto schnell mit hoher Geschwindigkeit anhalten).

Die zugehörige Leistung ist die Rate dieser Energieumwandlung; Es ist, wie viel kinetische Energie pro Sekunde in Wärmeenergie umgewandelt wird .

Es ist leicht zu zeigen, dass die mit einer Reibungskraft und einer Geschwindigkeit v verbundene Kraft gegeben ist durch:$F_f$

Dies sollte für Sie intuitiv sein. Wenn Sie Ihre Hände langsam zusammen bewegen, werden Sie nicht viel oder gar keine Hitze spüren. Wenn Sie Ihre Hände schnell zusammen bewegen, können Sie sie schnell aufwärmen.

Die Reibungskraft ist gegeben durch:

Dabei ist der Reibungskoeffizient. Dies ist analog zum Ohmschen Gesetz$\mu$

Lassen Sie uns zum Schluss Ihre Frage beantworten:

Denn wenn ich den Druck verdopple und den Widerstand verdopple, bleibt der Strom gleich. Ich würde denken, dies würde bedeuten, dass die Wärmeableitung gleich bleibt.

Aber die Kraft verdoppelt sich. Was bedeutet das dann eigentlich ?

In unserer mechanischen Analogie, was passiert , wenn wir verdoppeln die Reibung (die Verdoppelung den Widerstands analog ist) und übernehmen die Geschwindigkeit des Objekts gleich bleibt (was den Strom analog bleibenden gleich)?

Die Reibungskraft verdoppelt sich und somit verdoppelt sich die Kraft aufgrund der Reibungskraft .

Mechanisch ist dies intuitiv. Wenn Sie mit konstanter Geschwindigkeit in einem Auto sitzen und sich die Rollreibung plötzlich verdoppelt, müssen Sie die Motorleistung verdoppeln (das Gaspedal stärker drücken), um Ihre Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten .

Leistung ist in erster Linie eine Änderungsrate der Energie. Wenn Energie Geld wäre, wäre Stromverlust Ihre monatlichen Ausgaben, und der gewonnene Strom wäre Ihr monatliches Einkommen. Wenn beide gleich sind, gibt es jeden Monat keine Nettoenergieänderung.

Aber was ist Energie wirklich? Energie ist das, was Sie brauchen, um Arbeit zu leisten, z. B. etwas Schweres (gegen ein Gravitationsfeld) anzuheben oder zwei Magnete (gegen ein Magnetfeld) auseinander zu ziehen oder geladene Teilchen (gegen ein elektrisches Feld) zu verdrängen. Es ist dieses letzte Beispiel, das für Grundstrom gilt.

Normalerweise können Sie eine Art Partikel definieren, das empfindlich ist und sich innerhalb eines Feldes bewegen lässt. Ein Feld ist nur eine Möglichkeit, die Freiheitsgrade dieses Partikels (wie Raumkoordinaten) zu visualisieren und zu quantifizieren, wie stark und in welche Richtung wird es geschoben.

Um dieses Teilchen physisch über das Feld zu bewegen, ist Energie erforderlich. Wenn Sie einen beliebigen Punkt A innerhalb des Feldes definieren und die Energie berechnen, um ein Teilchen zu einem anderen Punkt B zu bringen, können Sie sagen, dass Punkt B ein Potential hat, das dieser Energie entspricht. Da A willkürlich war, ist es nur sinnvoll, über mögliche Unterschiede zu sprechen.

Im Zusammenhang mit einem elektrischen Feld wird die Empfindlichkeit von Teilchen (wie Elektronen) gegenüber diesem Feld als Ladung bezeichnet, und die Einheiten werden als Coulomb bezeichnet. Das Potential hat also Energie- / Ladungseinheiten oder [Joule] / [Coulomb], was der Spannung entspricht .

Wenn Sie also eine Potentialdifferenz zwischen den Punkten A und B in einem Stromkreis haben (eine Spannung) und eine bestimmte Ladungsmenge mit einer bestimmten Rate (einem Strom) von A nach B fließt, gibt es eine Energierate verbraucht werden (Strom). Es spielt keine Rolle, wie sie von Punkt A nach Punkt B gingen (über einen Draht, Widerstände, Dioden, Transistoren, Luft, einen Bleistift usw.). Alles, was zählt, ist die Spannung und der Strom, und die Leistung ist ihr Produkt:

Sie können die Einheiten überprüfen:

Wenn Sie über den Widerstand sprechen, sprechen Sie nur darüber , wie ein Material beeinflusst , wie viel Strom durch sie geht, eine Potentialdifferenz über sie gegeben, aber nur Widerstände haben eine so einfache lineare Beziehung, so die Beziehung , die wurde in Ihrer Frage impliziert, gilt nicht für etwas anderes als idealisierte Widerstände, und diese Leistungsgleichung ist nur ein Ergebnis ihrer Eigenschaft, dass der Strom direkt proportional zur Spannung über ihnen ist. Die gute Nachricht ist, dass dies Teil eines Modells vieler realer Geräte an bestimmten Betriebspunkten sein kann. Daher ist es ein sehr nützliches Konzept. Ich möchte nur klarstellen, dass es kein vollständiges Modell eines realen Geräts ist. Mit anderen Worten ist universell, nicht.P = V ≤ I P = V 2 /$P=V^2/R$$P=V\cdot I$$P=V^2/R$

Hoffentlich sollte jetzt klarer sein, warum ohne Strom keine Energie vorhanden sein kann (Sie verdrängen keine geladenen Teilchen, sodass keine Arbeit geleistet wird) und warum die Leistung nicht nur vom Strom abhängt (Ladungen bewegen) Nullpotential erfordert keine "Anstrengung"). Es geht wirklich darum, wie viel Ladungen Sie pro Zeiteinheit bewegen und wie viel potenzielle Differenz.

Per Definition Leistung IST die Rate , mit der Energie übertragen wird oder variiert.
Wenn Sie dies als grundlegend betrachten, müssen alle anderen Fragen diesbezüglich einen Sinn ergeben.
Wenn die Frage diese Definition nicht "respektiert", ist die Frage nicht sinnvoll.
Der Versuch, die Antworten auf unsinnige Fragen zu verstehen, ist mit Gefahren verbunden :-).

Es kann nicht vom Druck, der Spannung, kommen, denn wenn dies der Fall ist, sollte das Ventil extrem heiß sein, wenn sich einfach genug Wasser im höheren der beiden Tanks befindet, wodurch viel Druck auf das Ventil ausgeübt wird.

Sie haben Druck, aber keinen Durchfluss. Energie wird nicht übertragen - es wird kein Strom benötigt.

Ich habe gelesen, dass die Wärme aus dem tatsächlichen Stromfluss, dem Strom, stammt. Dies scheint zunächst intuitiv zu sein. Aber dann überlege ich, was Macht ist. Hier setzt die Verwirrung ein. Denn wenn ich den Druck und den Widerstand verdopple, bleibt der Strom gleich. Ich würde denken, dies würde bedeuten, dass die Wärmeableitung gleich bleibt. Aber die Kraft verdoppelt sich. Was bedeutet das dann eigentlich?

Folge der Energie.
Da I ​​= V / R = 2 V / 2R ist, ändert sich der Strom nicht, wenn sowohl V als auch R verdoppelt werden.
ABER die Energie, die erforderlich ist, um den gleichen Strom durch ein Rohr mit dem doppelten Widerstand zu drücken, ist doppelt so hoch. Ja?
dh Druck und Widerstand verdoppeln -> der Strom ist gleich, aber der Energiefluss wird verdoppelt, sodass die Leistung verdoppelt wird.

Beachten Sie, dass Power

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

Diese Formeln sind funktional identisch und austauschbar.
Sie können von einem zum anderen wechseln, indem Sie einfach Variablen ersetzen.
Wenn einer von ihnen für Sie sinnvoll ist, können Sie den Rest daraus ableiten, indem Sie Varianten für die Variablen einfügen, die auf dem Ohmschen Gesetz basieren.

zB
P = V x I aber V = IR
Also P = IR x I = I ^ 2R

P = I ^ 2R Aber I = V / R Also P = (V / R) ^ 2 = V ^ 2 / R.

Wenn Sie damit zufrieden sind, dass die Macht durch VI oder V ^ 2 / R oder I ^ R "erklärt" wird, können Sie mit den obigen Angaben zeigen, dass die anderen identisch sind.

P = V x I Die
Energierate ist proportional zur Menge des geschobenen Materials und wie stark es gedrückt wird.

P = I ^ 2R Die
Energierate ist proportional dazu, wie hartes Material gedrückt wird, ABER proportional zum Quadrat, wie viel Material gedrückt wird, denn wenn Sie die Menge an Material verdoppeln, das durch ein bestimmtes Rohr gedrückt wird, erhalten Sie nicht nur zwei so viel Material pro Zeit, ABER es ist doppelt so schwer, es zu schieben.

P = V ^ 2 / R Die
Energierate ist proportional zum Quadrat der Druckkraft, ABER umgekehrt proportional dazu, wie schwer es ist, sie zu drücken.
1 / R ist einfach, da weniger Aufwand = weniger Energie benötigt wird.
Wenn Sie die eingesetzte Kraft verdoppeln, verdoppeln Sie die eingesetzte Kraft, sodass die Energierate steigt, ABER die Durchflussrate verdoppelt sich ebenfalls (I = V / R), sodass Sie doppelt so viel Druck ausüben müssen, daher V ^ 2 term.

Es macht alles Sinn.
Es ist alles konsistent.
Es kann alles zwischen verschiedenen Arten der Aussprache umgewandelt werden.
Jedes Mal, wenn eine dieser 3 nicht wahr zu sein scheint, greifen Sie den "Grund" an, dass dies nicht der Fall zu sein scheint, und Sie werden feststellen, dass die Argumentation einen Fehler aufweist.
zB im ersten Beispiel gab es keinen Stromfluss, also keine Energieübertragung, also keine Leistung.