23.10.2017, Понедельник, 12:54

Мощность. Ватт.

Напряжение измеряют вольтметром (V), а ток через нагрузку (R)  - амперметром (A).

 
Произведение этих двух параметров есть мощность: напряжение в Вольтах умножается на ток в Амперах, получается мощность в Ваттах
 
Понятно, что получить одну и ту же мощность можно при различных значениях напряжения источника тока. При напряжении источника 1 вольт, для получения мощности в 1 ватт, требуется пропустить через нагрузку ток 1 ампер (1В х 1А = 1Вт). Если же источник выдает напряжение 10 вольт, мощность в 1 ватт достигается при токе 0,1 ампер (10В х 0,1А = 1Вт).
 
Мощность в физике - это скорость выполнения какой-либо работы.

Чем быстрее выполняется работа, тем больше мощность исполнителя.

Мощная машина разгоняется быстрее. Мощный (сильный) человек способен быстрее затащить мешок картошки на девятый этаж.

 

1 Ватт - мощность, позволяющая совершить работу в 1 Дж за одну секунду (что такое джоуль описывалось выше).

Если Вы способны разогнать двухкилограммовое тело до скорости 1 м/с за одну секунду, значит, развиваете мощность 1 Вт.

Если Вы поднимаете килограммовый груз на высоту 0,1 метра за секунду, Ваша мощность равна 1 Вт ибо груз приобретает за секунду потенциальную энергию в 1 Дж.

 

Если уронить с одинаковой высоты одну тарелку на бетонный пол, а вторую на одеяло, первая наверняка разобьется, а вторая выживет. В чем разница? Начальные и конечные условия одинаковые. Тарелки падают с одной и той же высоты, стало быть, обладают одинаковой энергией. На уровне пола обе тарелки останавливаются - вроде все идентично. Разница лишь в том, что энергия, которую тарелка накопила в процессе полета, в первом случае выделяется мгновенно (очень быстро), а когда тарелка падает на одеяло или ковер, процесс торможения растягивается во времени.

Пусть падающая тарелка обладает кинетической энергией в 1Дж. Процесс столкновения с бетонным полом занимает, допустим, 0,001 сек. Получается, что мощность, выделяемая при ударе, равна 1/0,001=1000 Вт!

Если же тарелка плавно замедляется в течение 0,1 сек, мощность будет 1/0,1=10 Вт. Уже есть шанс выжить - если на месте тарелки окажется живой организм.

Для того и существуют зоны деформации и подушки безопасности в автомобилях, чтобы растянуть во времени процесс выделения энергии при аварии, т.е., снизить мощность при ударе. А выделение энергии, между прочим и есть работа. В данном случае, работа по разрыву ваших внутренних органов и ломанию костей. 

Вообще, работа - это процесс преобразования одного вида энергии в другой.

 

Еще пример: можно без последствий сжечь содержимое баллона с пропаном в горелке. Но если смешать газ, содержащийся в баллоне с воздухом и воспламенить, произойдет взрыв

В обоих случаях выделяется одинаковое количество энергии. Но во втором энергия выделяется за короткий промежуток времени. А мощность - отношение количества работы ко времени, за которое она сделана.

 

Касаемо электричества, 1 Вт - мощность, выделяемая на нагрузке, когда произведение тока через нее и напряжения на его концах равно единице. То есть, например, если ток через лампу равен 1 А, и напряжение на ее выводах равно 1 В, мощность, выделяемая на ней 1 Вт. 

Такая же мощность будет у лампы с током 2 А при напряжении на ней 0,5 В - произведение этих величин тоже равно единице.

Итак:

 

P = U*IМощность равна произведению напряжения и силы тока.

 

Можем записать иначе:

I = P/U - сила тока равна мощности, деленной на напряжение.

 

Есть, допустим, лампа накаливания. На ее цоколе указаны параметры: напряжение 220 В, мощность 100 Вт. Мощность 100 Вт означает, что произведение напряжения, прикладываемое к ее выводом, умноженное на ток, протекающий через эту лампу равно ста. U*I=100.

Какой ток через нее будет протекать? Элементарно, Ватсон: I = P/U, делим мощность на напряжение (100/220), получаем 0,454 А. Ток через лампу 0,454 ампер. Или, иначе, 454 миллиампер (милли - тысячная доля).

 

Еще один вариант записи U = P/I. Тоже где-нибудь пригодится.

 

Теперь мы вооружены двумя формулами - законом Ома и формулой мощности электрического тока. А это уже инструмент.

 

Мы хотим узнать сопротивление нити накала той же стоваттной лампы накаливания.

Закон Ома говорит нам: R = U/I.

Можно не высчитывать ток через лампу, чтобы подставить его потом в формулу, а пойти коротким путем: так как I = P/U, подставляем P/U вместо I в формулу R = U/I.

В самом деле, почему бы ток (который нам неизвестен) не заменить напряжением и мощностью лампы, (которые указаны на цоколе).

Итак: R = U/P/U, что равно U^2/P. R =  U^2/P. 220 (напряжение) возводим в квадрат и делим на сто (мощность лампы). Получаем сопротивление 484 Ом.

Можно проверить вычисления. Выше мы таки считали ток через лампу - 0,454 А.

R = U/I = 220/0,454 = 484 Ом. Как ни крути, верный вывод один.

 

Еще раз, формула мощности:  P = U*I (1), или  I = P/U (2), или U = P/I (3).

                             Закон Ома: I = U/R (4)  или R = U/I (5)   или U = I*R (6).

 

P - мощность

U - напряжение

I - ток

R - сопротивление

 

В любой из этих формул, вместо неизвестного значения можно подставить известные.

 

Если в нужно узнать мощность, имея значения напряжения и сопротивления, берем формулу 1, вместо тока I подставляем его эквивалент из формулы 4.

Получается P = U^2/R. Мощность равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление. То есть, при изменении напряжения, приложенного к сопротивлению, выделяемая на нем мощность меняется в квадратичной зависимости: подняли напряжение в два раза, мощность (для резистора - нагрев) увеличилась в четыре раза! Так говорит нам математика. 

 

Понять почему это происходит на практике, поможет опять-таки гидравлическая аналогия. Предмет, находящийся на некоей высоте, обладает потенциальной энергией. И, спускаясь с этой высоты, он может совершить работу. Так совершает работу по выработке энергии вода в гидроэлектростанции, опускаясь через гидротурбину с уровня водохранилища до нижнего бьефа (нижнего уровня). 

Потенциальная энергия предмета зависит от его массы и от высоты, на которой он находится (тем больше бед наделает падающий камень чем больше он весит, и с чем большей высоты он падает). Также имеет значение сила тяжести в месте его падения. Один и тот же камень, падающий с одинаковой высоты более опасен на Земле, нежели на Луне, так как на Луне "сила тяжести" (сила, тянущая камень вниз) меньше земной в 6 раз. Итак, у нас три параметра, влияющих на потенциальную энергию - масса, высота и сила тяжести. Именно они и содержатся в формуле кинетической энергии: 

Eк = m*g*h,

где m - масса предмета, g - ускорение свободного падения в данном месте ("сила тяжести"), h - высота, на которой находится предмет.

Соберем установку: насос с приводом от двигателя будет качать воду из нижнего резервуара в верхний, а стекающая под действием силы тяжести из верхнего резервуара вода, будет крутить генератор:

Понятно, что чем выше водяной столб, тем большей энергией будет обладать вода. Увеличим высоту столба в два раза. Понятно, что при удвоенной высоте h, вода будет обладать вдвое большей потенциальной энергией, и, вроде бы, мощность генератора должна возрасти вдвое? На самом деле, его мощность увеличится в четыре раза. Почему? Потому что из-за удвоенного давления сверху, поток воды через генератор удвоится. И удвоенный поток воды при удвоенном же давлении, приведет к четырехкратному увеличению мощности, выделяемой на генераторе: в два раза больше, и в два раза сильнее.

То же самое происходит на сопротивлении, при удвоении приложенного к нему напряжения. Мы же помним формулу мощности, выделяемой на резисторе? 

P = U*I

Мощность P равна произведению напряжения U, приложенного к резистору и тока I, протекающего через него. При удвоении приложенного напряжения U, мощность, вроде как должна удвоится. Но ведь повышение напряжения ведет и к пропорциональному росту тока через резистор! Стало быть, удвоится не только U, но и I. Именно поэтому, мощность зависит от приложенного напряжения в квадратичной зависимости.

Батарея с удвоенным напряжением "закачивает" электроны на вдвое большую "высоту", и это приводит точно к такой же картине, как в гидравлическом аналоге.

 

Нужно узнать мощность, зная сопротивление и ток, но не зная напряжение? Нет проблем. В ту же первую формулу вместо U подставляем эквивалент U из формулы 6. Получаем P = I^2*R. Мощность равна квадрату тока, умноженному на сопротивление.

 

Приведенный выше гидравлический аналог поможет понять, почему. Удвоение тока через данный резистор возможно только при удвоении приложенного к нему напряжения. А стало быть, формула P = U*I, сработает и тут, несмотря на отсутствие в формуле P = I^2*R напряжения. Просто напряжение в данном случае присутствует "за кадром", прячась за другими переменными. 

 

Еще одна странность данной формулы - мощность прямо пропорциональна сопротивлению. Разве так может быть? Ну давайте тогда вообще разорвем цепь, сопротивление возрастет до бесконечности, а значит, соответственно вырастет мощность, выделяемая на том, чего нет? Бред какой.

На самом деле все просто. Рост сопротивления приведет к соответствующему уменьшению тока через резистор. Если в формуле 

P = I^2*R, 

сопротивление R увеличить вдвое, то ток I уменьшится вдвое. А зависимость мощности от тока в этой формуле - квадратичная. Стало быть, мощность выделяемая на резисторе ожидаемо упадет в два раза.

 

И так далее. В любых комбинациях. Зная любые два параметра из четырех: напряжение, ток, сопротивление, мощность, можно узнать все остальные.

 

Напоминаю: 

 

Напряжение (U) - это "разность электрического давления" между какими-либо двумя точками электрической цепи (аналог разности давлений жидкости). Единица измерения - вольт.

 

Ток (I) - это количество электронов, проходящих через участок цепи (аналог потока жидкости). Единица измерения - ампер. 1 А = 1 Кл/сек.

 

Сопротивление (R) - способность участка цепи мешать (сопротивляться) перемещению электронов (как узкое место или засор в трубе). Единица измерения - ом.

 

Мощность (P) - это произведение напряжения и тока (как если бы мы умножили расход воды через какой либо участок водопровода на разность давлений на концах этого участка). Единица измерения - ватт.