Я не понимаю, что такое сила на самом деле

Я понимаю, что это, вероятно, супер распространенный вопрос, но я должен выразить его своими словами.

Я пытаюсь понять закон Ома с водной аналогией. Два резервуара с водой, один с более высоким уровнем, чем другой, и труба, соединяющая их обоих. Вода хочет течь. Есть клапан, который представляет собой резистор.

Я начинаю путать, когда начинаю думать о рассеивании тепла в электрической цепи. Откуда это тепло на самом деле?

Это не может происходить из-за давления, напряжения, потому что, если это так, клапан должен быть очень горячим, если в верхнем из двух резервуаров достаточно воды, что создает большое давление на клапан.

Я читал, что тепло исходит от фактического потока электричества, тока. Сначала это кажется интуитивно понятным. Но затем я продолжаю думать о том, что такое сила. Вот где возникает путаница. Потому что, если я удваиваю давление и удваиваю сопротивление, ток остается прежним. Я думаю, это будет означать, что тепловыделение останется прежним.

Но сила удваивается. Так что же это значит на самом деле?

Сливался ли мой бак в другой бак с другой скоростью из-за более высокой мощности, даже если фактический ток оставался постоянным?

Что такое сила?

Вы можете думать о том, что происходит с электронным потоком в проводе. Хотя это и не так, попробуйте представить электрон как механическую частицу. Всякий раз, когда он пытается двигаться внутри проволоки, он сталкивается с чем-то, и это столкновение генерирует тепло. Таким образом, вы можете думать об энергии, передаваемой из кинетической энергии электрона в тепло (поэтому скорость электрона в этот момент падает). Таким образом, электроны не имеют постоянной скорости все время, хотя мы можем сказать, что они имеют среднюю скорость, и эта средняя скорость зависит от сопротивления проволоки, которое в точности препятствует попаданию электрона.

Провод не стал бы горячим, если бы он не имел никакого сопротивления. Таким образом, никакая энергия не будет потребляться проводом.

Когда вы удваиваете напряжение, а также удваиваете сопротивление, вы можете подумать, что электрическое поле внутри провода выше, поэтому электрон может достигать высокой скорости быстрее, чем при более низком напряжении. Но также сопротивление выше, так что оно может сильнее преодолевать препятствия. Таким образом, средняя скорость может стать одинаковой (ток одинаковый), хотя теперь вы рассеиваете больше тепла, потому что столкновения сильнее.

Это очень грубый способ мышления, но он может помочь вам представить, почему по некоторым аналогиям все так, как есть.

Кроме того, вы можете считать мощность в Джоулях в секунду (ватт). Так что это касается некоторой единицы энергии за раз. В примере закона Ома это относится к рассеиванию тепла. Другими словами, сколько энергии тратится на тепло по всему проводу. Если вы думаете о механических системах, мощность может представлять, сколько энергии необходимо для перемещения чего-либо (вы можете рассчитать минимальную кинетическую энергию для достижения желаемой скорости и, таким образом, рассчитать, сколько энергии вы должны передать этому объекту, чтобы достичь этой скорости). Итак, поскольку сила напрямую связана с энергией, вы можете подумать, что энергия всегда передается от одного способа к другому. Сила может указывать, как быстро это происходит.

Для механической аналогии представьте электрическое сопротивление как механическое трение , напряжение как силу и ток как скорость .

Предположим, что есть объект, подверженный трению, движущийся с постоянной скоростью (это аналог резистивного контура с постоянным током).

Должна быть приложенная сила (аналогичная источнику напряжения) и противоположная сила трения (аналогичная напряжению на резисторе).

Теперь, как вы наверняка заметили, трение преобразует кинетическую энергию в тепловую энергию (подумайте о том, как тормоза нагреваются при быстрой остановке автомобиля на высокой скорости).

Соответствующая мощность - это скорость преобразования энергии; это то, сколько кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию в секунду .

Легко показать, что мощность, связанная с силой трения и скоростью v , определяется как:$F_f$

Это должно быть интуитивно понятно для вас. Если вы будете медленно двигать руками, вы не почувствуете сильного тепла. Если вы быстро двигаете руками вместе, вы можете быстро их разогреть.

Сила трения определяется как:

где - коэффициент трения. Это аналог закона Ома$\mu$

Наконец, давайте ответим на ваш вопрос:

Потому что, если я удваиваю давление и удваиваю сопротивление, ток остается прежним. Я думаю, это будет означать, что тепловыделение останется прежним.

Но сила удваивается. Так что же это значит на самом деле ?

В нашей механической аналогии, что произойдет, если мы удвоим трение (что аналогично удвоению сопротивления) и предположим, что скорость объекта остается неизменной (что аналогично тому, что ток остается неизменным)?

Сила трения удваивается, и, таким образом, сила за счет силы трения удваивается .

Механически это интуитивно понятно. Если вы находитесь в автомобиле с постоянной скоростью и трение качения внезапно удваивается, вам потребуется удвоить выходную мощность двигателя (сильнее нажать на педаль газа), чтобы сохранить скорость .

Власть - это прежде всего скорость изменения энергии. Если энергия была деньгами, то потеря энергии была бы вашими ежемесячными расходами, а полученная мощность была бы вашим ежемесячным доходом. Если они оба равны, то нет чистого изменения энергии каждый месяц.

Но что такое энергия на самом деле? Энергия - это то, что вам нужно для работы, например, для поднятия чего-то тяжелого (против гравитационного поля) или для разрыва двух магнитов (против магнитного поля) или для перемещения заряженных частиц (против электрического поля). Именно этот последний пример относится к основному электричеству.

Обычно вы можете определить какую-то частицу, которая чувствительна и может перемещаться, находясь внутри поля, а поле - это просто способ визуализации и количественного определения в пределах степеней свободы этой частицы (например, пространственные координаты), насколько сильно и в каком направлении его толкают.

Поэтому физическое перемещение этой частицы через поле требует энергии. Если вы определяете произвольную точку A внутри поля и вычисляете энергию для переноса частицы в другую точку B, вы можете сказать, что точка B имеет потенциал, равный этой энергии. Поскольку А был произвольным, имеет смысл говорить только о возможных различиях.

В контексте электрического поля чувствительность частиц (например, электронов) к этому полю называется зарядом, а единицы - кулоном. Таким образом, у потенциала есть единицы энергии / заряда или [Джоулей] / [Кулонов], что совпадает с напряжением .

Так что, если у вас есть разность потенциалов между точками A и B в цепи (напряжение), и есть определенное количество заряда, идущее от A до B с определенной скоростью (током), то есть скорость энергии израсходованный (власть). Неважно, как они перешли из точки А в точку Б (через провод, резисторы, диоды, транзисторы, воздух, карандаш и т. Д.), Все, что имеет значение, это напряжение и ток, а мощность - это их произведение:

Вы можете проверить единицы:

Когда вы говорите об сопротивлении, вы просто говорите о том, как материал влияет на то, сколько тока проходит через него, учитывая разность потенциалов через него, но только резисторы имеют такое простое линейное отношение, поэтому отношение которое подразумевалось, что ваш вопрос не относится ни к чему другому, кроме идеализированных резисторов, и это уравнение мощности является просто результатом их свойства тока, прямо пропорционального напряжению на них. Хорошей новостью является то, что это может быть частью модели многих реальных устройств в определенных рабочих точках, поэтому это очень полезная концепция, я просто хочу пояснить, что это не полная модель любого реального устройства. Другими словами, универсален, - нет.P = V ⋅ I P = V 2 /$P=V^2/R$$P=V\cdot I$$P=V^2/R$

Надеемся, что к настоящему времени стало понятнее, почему без тока не может быть никакой энергии (вы не перемещаете заряженные частицы, поэтому работа не выполняется), и почему мощность не зависит только от тока (перемещение зарядов через нулевой потенциал не требует никаких «усилий»). На самом деле речь идет о том, сколько зарядов вы перемещаете за единицу времени, и сколько разницы потенциалов.

По определению, мощность IS скорость , при которой энергия передается или изменяется.
Если вы примете это как основополагающее значение, все остальные вопросы должны иметь смысл в этом отношении.
Если вопрос не «уважает» это определение, тогда вопрос не имеет смысла.
Попытка понять ответы на бессмысленные вопросы чревата опасностью :-).

Это не может происходить из-за давления, напряжения, потому что, если это так, клапан должен быть очень горячим, если в верхнем из двух резервуаров достаточно воды, что создает большое давление на клапан.

У вас есть давление, но нет потока. Энергия не передается - энергии не требуется.

Я читал, что тепло исходит от фактического потока электричества, тока. Сначала это кажется интуитивно понятным. Но затем я продолжаю думать о том, что такое сила. Вот где возникает путаница. Потому что, если я удваиваю давление и удваиваю сопротивление, ток остается прежним. Я думаю, это будет означать, что тепловыделение останется прежним. Но сила удваивается. Так что же это значит на самом деле?

Следуй за энергией.
Поскольку I = V / R = 2V / 2R, ток не изменится, когда V и R удвоятся.
НО энергия, необходимая для проталкивания того же тока через трубу с двойным сопротивлением, удваивается. Да?
т.е. удваивают как давление, так и сопротивление -> ток одинаков, но расход энергии удваивается, поэтому мощность удваивается.

Обратите внимание, что мощность

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

Эти формулы функционально идентичны и являются взаимозаменяемыми.
Вы можете переходить от одного к другому, просто подставляя переменные.
Если какой-то из них имеет для вас смысл, то из него можно извлечь остальное, просто добавив варианты для переменных на основе закона Ома.

например,
P = V x I, но V = IR,
поэтому P = IR x I = I ^ 2R.

P = I ^ 2R Но я = V / R Так что P = (V / R) ^ 2 = V ^ 2 / R

Если вы довольны тем, что сила «объясняется» каким-либо из VI или V ^ 2 / R или I ^ R, то вышеизложенное позволяет вам показать, что остальные идентичны.

P = V x I
Уровень энергии пропорционален количеству толкаемого материала и степени его толкания.

P = I ^ 2R
Уровень энергии пропорционален тому, как толкают тяжелые вещи, НО пропорционален квадрату того, сколько вещей толкается, потому что, когда вы удваиваете количество материала, проталкиваемого через заданную трубу, вы не только получаете вдвое больше материала за раз, НО это вдвое сложнее.

P = V ^ 2 / R
Коэффициент энергии пропорционален квадрату толкающей силы, НО обратно пропорционален тому, насколько трудно его толкнуть.
1 / R легко, так как меньше усилий = меньше энергии.
Если вы удваиваете используемое усилие, вы удваиваете используемое усилие, так что скорость энергии возрастает, НО расход также удваивается (I = V / R), поэтому вам приходится вдвое увеличивать вдвое больше, поэтому термин V ^ 2.

Все это имеет смысл.
Это все соответствует.
Все это может быть преобразовано между различными способами сказать это.
Каждый раз, когда любое из этих 3 не кажется правдой, атакуйте «причину», которой это не кажется, и вы обнаружите, что у рассуждения есть недостаток.
например, в первом приведенном примере не было потока тока, поэтому нет передачи энергии, поэтому нет мощности.