Non capisco cosa sia realmente il potere

Mi rendo conto che questa è probabilmente una domanda super comune, ma devo dirlo con parole mie.

Cerco di capire la legge di Ohm con l'analogia dell'acqua. Due serbatoi con acqua, uno con un livello superiore rispetto all'altro, e un tubo che collega i due. L'acqua vuole scorrere. C'è una valvola che rappresenta una resistenza.

La cosa che inizia la mia confusione è quando inizio a pensare alla dissipazione del calore in un circuito elettrico. Da dove viene questo calore?

Non può venire dalla pressione, dalla tensione, perché se lo facesse, la valvola dovrebbe essere estremamente calda se c'è semplicemente abbastanza acqua nella parte superiore dei due serbatoi, esercitando così molta pressione sulla valvola.

Ho letto che il calore proviene dall'effettivo flusso di elettricità, la corrente. All'inizio sembra intuitivo. Ma poi passo avanti per considerare cos'è il potere. È qui che entra in gioco la confusione. Perché se raddoppio la pressione e raddoppio la resistenza, la corrente rimane invariata. Penserei che ciò significherebbe che la dissipazione del calore rimarrebbe la stessa.

Ma il potere raddoppia. Allora cosa significa veramente?

Il mio serbatoio si è scaricato nell'altro serbatoio a una velocità diversa a causa della maggiore potenza, anche se il flusso effettivo di corrente è rimasto costante?

Cos'è il potere?

Puoi pensare a cosa succede al flusso di elettroni nel filo. Sebbene non sia vero, prova a pensare all'elettrone come una particella meccanica. Ogni volta che tenta di muoversi all'interno del filo, colpisce qualcosa e quella collisione genera calore. Quindi puoi pensare a un'energia trasferita dall'energia cinetica dell'elettrone al calore (quindi la velocità dell'elettrone diminuisce in quel momento). Quindi gli elettroni non hanno una velocità costante per tutto il tempo, anche se possiamo dire che hanno una velocità media e questa velocità media dipende dalla resistenza del filo che è esattamente questo ostacolo che colpisce l'elettrone.

Il filo non si surriscalderebbe se non avesse alcuna resistenza. Quindi nessun filo verrebbe consumato dal filo.

Quando raddoppi la tensione e raddoppi anche la resistenza, potresti pensare che il campo elettrico all'interno del filo sia più alto, quindi l'elettrone può raggiungere un'alta velocità più veloce rispetto a una tensione inferiore. Ma anche la resistenza è più alta, quindi può colpire i suoi ostacoli in modo più forte. Quindi la velocità media potrebbe diventare la stessa (la corrente è la stessa) anche se ora stai dissipando più calore perché le collisioni sono più forti.

Questo è un modo molto grossolano di pensare ma può aiutarti a immaginare perché le cose sono come sono per alcune analogie.

Inoltre, potresti pensare al potere come Joule al secondo (Watt). Quindi mette in relazione alcune unità di energia per volta. Nell'esempio della legge ohm, si applica alla dissipazione del calore. In altre parole, quanta energia viene sprecata nel calore attraverso il filo. Se pensi ai sistemi meccanici, la potenza può rappresentare quanta energia è necessaria per muovere qualcosa (puoi calcolare la sua minima energia cinetica per raggiungere la velocità desiderata e quindi calcolare quanta energia dovresti trasferire a questo oggetto per raggiungere quella velocità). Quindi, poiché il potere è direttamente correlato all'energia, si può pensare che l'energia venga sempre trasferita da un modo all'altro. Il potere può indicare quanto velocemente accadono queste cose.

Per un'analogia meccanica, pensa alla resistenza elettrica come attrito meccanico , tensione come forza e corrente come velocità .

Supponiamo che un oggetto, soggetto ad attrito, si muova a velocità costante (questo è analogo a un circuito resistivo a corrente costante).

Ci deve essere una forza applicata (analoga a una sorgente di tensione) e una forza di attrito opposta (analoga alla tensione attraverso la resistenza).

Ora, come avete sicuramente osservato, l'attrito converte l'energia cinetica di energia termica (si pensi a come i freni si riscaldano quando si ferma l'auto in fretta da una velocità elevata).

Il potere associato è il tasso di questa conversione di energia; è quanta energia cinetica viene convertita in energia termica al secondo .

$F_f$

Questo dovrebbe essere intuitivo per te. Se muovi le mani lentamente insieme, non sentirai molto se c'è calore. Se muovi le mani rapidamente insieme, puoi scaldarle rapidamente.

La forza di attrito è data da:

$\mu$

Infine, rivolgiamo la tua domanda:

Perché se raddoppio la pressione e raddoppio la resistenza, la corrente rimane la stessa. Penserei che ciò significherebbe che la dissipazione del calore rimarrebbe la stessa.

Ma il potere raddoppia. Allora cosa significa veramente ?

Nella nostra analogia meccanica, cosa succede se raddoppiamo l'attrito (che è analogo al raddoppiare la resistenza) e assumiamo che la velocità dell'oggetto rimanga la stessa (che è analoga alla corrente che rimane la stessa)?

La forza di attrito raddoppia e quindi raddoppia la potenza dovuta alla forza di attrito .

Meccanicamente, questo è intuitivo. Se sei in un'auto a velocità costante e l'attrito di rotolamento raddoppia improvvisamente, dovrai mantenere la potenza del motore (premere più forte il pedale del gas) per mantenere la velocità .

Il potere è innanzitutto un tasso di cambiamento nell'energia. Se l'energia fosse denaro, la perdita di energia sarebbe la tua spesa mensile e la potenza guadagnata sarebbe il tuo reddito mensile. Se sono entrambi uguali, non vi è alcun cambiamento netto di energia ogni mese.

Ma cos'è veramente l'energia? L'energia è la cosa di cui hai bisogno per far funzionare, come sollevare qualcosa di pesante (contro un campo gravitazionale), o separare due magneti (contro un campo magnetico) o spostare particelle cariche (contro un campo elettrico). È questo ultimo esempio che si applica all'elettricità di base.

Di solito è possibile definire un tipo di particella sensibile e che può essere spostata dall'essere all'interno di un campo, e un campo è solo un modo di visualizzare e quantificare entro i gradi di libertà di questa particella (come le coordinate spaziali), quanto fortemente e in quale direzione viene spinto.

Quindi spostare fisicamente questa particella attraverso il campo richiede energia. Se si definisce un punto A arbitrario all'interno del campo e si calcola l'energia per ottenere una particella in un altro punto B, si potrebbe dire che il punto B ha un potenziale uguale a questa energia. Poiché A era arbitrario, ha senso parlare solo di potenziali differenze.

Nel contesto di un campo elettrico, la sensibilità delle particelle (come gli elettroni) a questo campo è chiamata carica e le unità sono chiamate Coulomb. Quindi il potenziale ha unità di energia / carica, o [Joules] / [Coulomb], che è lo stesso di Voltage .

Quindi se hai una differenza potenziale tra i punti A e B in un circuito (una tensione) e c'è una certa quantità di carica che va da A a B a una certa velocità (una corrente), allora c'è una velocità di energia in uso (potenza). Non importa come sono andati dal punto A al punto B (tramite un filo, resistori, diodi, transistor, aria, una matita, ecc.), Tutto ciò che conta è la tensione e la corrente e la potenza è il loro prodotto:

Puoi controllare le unità:

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

Spero che ormai dovrebbe essere più chiaro il motivo per cui senza corrente non può esserci alcun potere (non si stanno spostando particelle cariche, quindi non si sta facendo alcun lavoro), e perché il potere non dipende solo dalla corrente (spostando le cariche attraverso zero potenziale non richiede alcun 'sforzo'). Si tratta davvero di quante cariche si sposta per unità di tempo e attraverso quanta differenza potenziale.

Per definizione, la potenza è la velocità con cui l'energia viene trasferita o variata.
Se lo consideri un elemento essenziale, tutte le altre domande devono avere un senso rispetto a questo.
Se la domanda non "rispetta" tale definizione, allora la domanda non ha senso.
Cercare di capire le risposte a domande senza senso è pieno di pericoli :-).

Non può venire dalla pressione, dalla tensione, perché se lo facesse, la valvola dovrebbe essere estremamente calda se c'è semplicemente abbastanza acqua nella parte superiore dei due serbatoi, esercitando così molta pressione sulla valvola.

Hai pressione ma nessun flusso. L'energia non viene trasferita: non è richiesta energia.

Ho letto che il calore proviene dall'effettivo flusso di elettricità, la corrente. All'inizio sembra intuitivo. Ma poi passo avanti per considerare cos'è il potere. È qui che entra in gioco la confusione. Perché se raddoppio la pressione e raddoppio la resistenza, la corrente rimane invariata. Penserei che ciò significherebbe che la dissipazione del calore rimarrebbe la stessa. Ma il potere raddoppia. Allora cosa significa veramente?

Segui l'energia.
Poiché I = V / R = 2V / 2R la corrente non cambierà quando raddoppieranno sia V che R.
MA l'energia necessaria per spingere la stessa corrente attraverso un tubo con una resistenza doppia è doppia. Sì?
cioè raddoppiare sia la pressione che la resistenza -> la corrente è la stessa ma la portata di energia è raddoppiata, quindi la potenza è raddoppiata.

Si noti che il potere

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

Queste formule sono funzionalmente identiche e sono intercambiabili.
Puoi passare dall'uno all'altro semplicemente sostituendo le variabili.
Se qualcuno di loro ha senso per te, il resto può essere derivato da esso semplicemente inserendo varianti per le variabili basate sulla legge di Ohm.

es.
P = V x I Ma V = IR
Quindi P = IR x I = I ^ 2R

P = I ^ 2R Ma I = V / R Quindi P = (V / R) ^ 2 = V ^ 2 / R

Se sei contento che il potere sia "spiegato" da uno qualsiasi di VI o V ^ 2 / R o I ^ R, allora quanto sopra ti consente di dimostrare che gli altri sono identici.

P = V x I
Il tasso di energia è proporzionale alla quantità di materiale spinto e alla sua forza.

P = I ^ 2R
Il tasso di energia è proporzionale alla quantità di roba spinta MA MA proporzionale al quadrato di quanta roba viene spinta perché quando si raddoppia la quantità di roba spinta attraverso un determinato tubo non solo si ottengono tweak tanto roba per volta MA è due volte più difficile spingerlo.

P = V ^ 2 / R
Il tasso di energia è proporzionale al quadrato della forza di spinta MA inversamente proporzionale a quanto sia difficile spingerlo.
1 / R è facile in quanto meno sforzo = meno energia necessaria.
Se raddoppiate la forza utilizzata raddoppiate la quantità di forza utilizzata in modo che la velocità di energia aumenti MA anche la portata raddoppia (I = V / R), quindi dovete spingere il doppio del doppio, quindi V ^ 2 termine.

Tutto ha un senso.
È tutto coerente.
Può essere tutto convertito tra vari modi di dirlo.
Ogni volta che uno di questi 3 non sembra essere vero, attacca la "ragione" che non sembra così e scoprirai che il ragionamento ha un difetto.
ad es. nel primo esempio dato che non c'era flusso di corrente, quindi nessun trasferimento di energia, quindi nessuna potenza.