Saya tidak mengerti apa sebenarnya kekuatan itu

Saya menyadari ini mungkin pertanyaan yang sangat umum, tetapi saya harus mengatakannya dengan kata-kata saya sendiri.

Saya mencoba memahami hukum ohm dengan analogi air. Dua tangki dengan air, satu dengan tingkat yang lebih tinggi dari yang lain, dan sebuah pipa yang menghubungkan keduanya. Air ingin mengalir. Ada katup yang mewakili resistor.

Hal yang memulai kebingungan saya adalah ketika saya mulai berpikir tentang pembuangan panas di sirkuit listrik. Dari mana sebenarnya panas ini berasal?

Itu tidak dapat berasal dari tekanan, tegangan, karena jika itu terjadi, katup harus sangat panas jika hanya ada cukup air di bagian yang lebih tinggi dari kedua tangki, sehingga memberikan banyak tekanan pada katup.

Saya pernah membaca bahwa panas berasal dari aliran listrik aktual, arus. Pada awalnya ini tampaknya intuitif. Tapi kemudian saya melanjutkan untuk mempertimbangkan apa itu kekuatan. Di sinilah kebingungan terjadi. Karena jika saya menggandakan tekanan dan menggandakan resistansi, arus tetap sama. Saya akan berpikir ini akan berarti bahwa pembuangan panas akan tetap sama.

Namun kekuatannya berlipat ganda. Jadi apa artinya itu?

Apakah tangki saya terkuras ke tangki lain dengan laju yang berbeda karena daya yang lebih tinggi, meskipun aliran arus aktual tetap konstan?

Apa itu kekuatan?

Anda dapat memikirkan apa yang terjadi pada aliran elektron di kabel. Meskipun tidak benar, coba pikirkan elektron sebagai partikel mekanis. Setiap kali ia mencoba bergerak di dalam kabel, ia mengenai sesuatu dan tabrakan itu menghasilkan panas. Jadi Anda dapat memikirkan energi yang ditransfer dari energi kinetik elektron ke panas (sehingga kecepatan elektron turun pada saat itu). Jadi elektron tidak memiliki kecepatan konstan sepanjang waktu meskipun kita dapat mengatakan bahwa mereka memiliki kecepatan rata-rata dan kecepatan rata-rata ini tergantung pada resistansi kawat yang menghadapi hambatan ini yang ditimbulkan oleh elektron.

Kawat tidak akan menjadi panas jika tidak memiliki resistansi apa pun. Jadi tidak ada daya yang dikonsumsi oleh kawat.

Ketika Anda menggandakan tegangan dan juga menggandakan resistansi, Anda mungkin berpikir bahwa medan listrik di dalam kawat lebih tinggi sehingga elektron dapat mencapai kecepatan tinggi lebih cepat daripada dengan tegangan lebih rendah. Tetapi juga resistensi lebih tinggi sehingga dapat menghantam rintangan dengan cara yang lebih kuat. Jadi kecepatan rata-rata bisa menjadi sama (saat ini sama) walaupun sekarang Anda membuang lebih banyak panas karena tabrakan lebih kuat.

Ini adalah cara yang sangat kotor untuk berpikir, tetapi mungkin membantu Anda membayangkan mengapa hal-hal seperti itu dilakukan oleh beberapa analogi.

Juga, Anda mungkin menganggap daya sebagai Joule per detik (Watt). Jadi ini menghubungkan beberapa unit energi per waktu. Dalam contoh hukum ohm, ini berlaku untuk pembuangan panas. Dengan kata lain, berapa banyak energi yang terbuang dalam panas di seluruh kawat. Jika Anda memikirkan sistem mekanis, daya dapat mewakili berapa banyak energi yang diperlukan untuk memindahkan sesuatu (Anda dapat menghitung energi kinetik minimum untuk mencapai kecepatan yang diinginkan dan menghitung berapa banyak energi yang harus Anda transfer ke objek ini untuk mencapai kecepatan itu). Jadi, karena kekuasaan terkait dengan energi, Anda mungkin berpikir bahwa energi selalu ditransfer dari satu cara ke cara lain. Kekuatan dapat menunjukkan seberapa cepat hal-hal ini terjadi.

Untuk analogi mekanis, pikirkan hambatan listrik sebagai gesekan mekanis , tegangan sebagai gaya , dan arus sebagai kecepatan .

Asumsikan ada objek, yang mengalami gesekan, bergerak dengan kecepatan konstan (ini analog dengan rangkaian resistif dengan arus konstan).

Harus ada gaya yang diterapkan (analog dengan sumber tegangan) dan gaya gesek yang berlawanan (analog dengan tegangan melintasi resistor).

Sekarang, karena Anda sudah pasti diamati, gesekan mengkonversi energi kinetik ke energi panas (berpikir bagaimana rem panas ketika menghentikan mobil Anda dengan cepat dari kecepatan tinggi).

Kekuatan yang terkait adalah tingkat konversi energi ini; itu berapa banyak energi kinetik dikonversi menjadi energi termal per detik .

$F_f$

Ini harusnya intuitif untuk Anda. Jika Anda menggerakkan tangan secara perlahan, Anda tidak akan merasa banyak jika panas. Jika Anda menggerakkan tangan dengan cepat, Anda dapat menghangatkannya dengan cepat.

Gaya gesek diberikan oleh:

$\mu$

Akhirnya, mari kita jawab pertanyaan Anda:

Karena jika saya menggandakan tekanan dan menggandakan resistansi, arus tetap sama. Saya akan berpikir ini akan berarti bahwa pembuangan panas akan tetap sama.

Namun kekuatannya berlipat ganda. Jadi apa artinya itu ?

Dalam analogi mekanis kita, apa yang terjadi jika kita menggandakan gesekan (yang analog dengan menggandakan resistansi) dan menganggap kecepatan objek tetap sama (yang analog dengan arus yang tetap sama)?

Gaya gesek berlipat ganda dan dengan demikian, kekuatan akibat gaya gesek berlipat ganda .

Secara mekanis, ini intuitif. Jika Anda berada di mobil dengan kecepatan konstan dan gesekan putaran tiba-tiba berlipat ganda, Anda harus menggandakan output tenaga mesin (tekan pedal gas lebih keras) untuk mempertahankan kecepatan Anda .

Kekuatan adalah tingkat perubahan energi yang pertama dan terpenting. Jika energi adalah uang, maka daya yang hilang akan menjadi pengeluaran bulanan Anda, dan daya yang diperoleh akan menjadi penghasilan bulanan Anda. Jika keduanya sama maka tidak ada perubahan energi bersih setiap bulan.

Tetapi apakah sebenarnya energi itu? Energi adalah hal yang Anda perlukan untuk membuat pekerjaan, seperti mengangkat sesuatu yang berat (melawan medan gravitasi), atau menarik dua magnet (melawan medan magnet), atau memindahkan partikel bermuatan (terhadap medan listrik). Ini adalah contoh terakhir yang berlaku pada listrik dasar.

Anda biasanya dapat mendefinisikan beberapa jenis partikel yang sensitif dan dapat didorong dengan berada di dalam suatu bidang, dan sebuah bidang hanyalah cara memvisualisasikan dan mengukur dalam derajat kebebasan partikel ini (seperti koordinat spasial), seberapa kuat dan ke arah mana ia didorong.

Jadi secara fisik memindahkan partikel ini melintasi lapangan membutuhkan energi. Jika Anda mendefinisikan titik A acak di dalam bidang dan menghitung energi untuk mendapatkan partikel ke titik B lainnya, Anda bisa mengatakan bahwa titik B memiliki potensi yang sama dengan energi ini. Karena A adalah arbitrer, masuk akal untuk berbicara tentang perbedaan potensial.

Dalam konteks medan listrik, sensitivitas partikel (seperti elektron) terhadap medan ini disebut muatan, dan unit-unitnya disebut Coulomb. Jadi potensial memiliki satuan energi / muatan, atau [Joule] / [Coulomb], yang sama dengan Tegangan .

Jadi jika Anda memiliki perbedaan potensial antara titik A dan B dalam suatu rangkaian (tegangan), dan ada sejumlah muatan tertentu yang berpindah dari A ke B pada laju tertentu (arus), maka ada laju energi sedang digunakan (daya). Tidak masalah bagaimana mereka bergerak dari titik A ke titik B (melalui kawat, resistor, dioda, transistor, udara, pensil, dll.), Yang penting adalah tegangan dan arus, dan daya adalah produk mereka:

Anda dapat memeriksa unit:

Ketika Anda berbicara tentang resistensi, Anda hanya berbicara tentang bagaimana suatu materi mempengaruhi berapa banyak arus yang melewatinya, memberikan perbedaan potensial di atasnya, tetapi hanya resistor yang memiliki hubungan linier yang sederhana, sehingga $P=V^2/R$hubungan yang tersirat dalam pertanyaan Anda tidak benar untuk hal lain selain resistor ideal, dan bahwa persamaan daya hanyalah hasil dari properti mereka saat ini yang berbanding lurus dengan tegangan yang melintasi mereka. Berita baiknya adalah ini bisa menjadi bagian dari model banyak perangkat nyata di titik operasi tertentu, jadi ini adalah konsep yang sangat berguna, saya hanya ingin menjelaskan bahwa ini bukan model lengkap dari perangkat nyata. Dengan kata lain$P=V\cdot I$ bersifat universal, $P=V^2/R$ tidak.

Semoga saat ini seharusnya menjadi lebih jelas mengapa tanpa arus tidak ada daya (Anda tidak memindahkan partikel bermuatan, sehingga tidak ada pekerjaan yang dilakukan), dan mengapa daya tidak tergantung hanya pada arus (memindahkan muatan melintasi nol potensial tidak memerlukan 'upaya'). Ini sebenarnya tentang berapa banyak biaya yang Anda pindahkan per unit waktu, dan berapa banyak perbedaan potensial.

Menurut definisi, daya adalah tingkat di mana energi ditransfer atau bervariasi.
Jika Anda menganggap itu sebagai hal mendasar yang mendasar, semua pertanyaan lain harus masuk akal sehubungan dengan ini.
Jika pertanyaannya tidak "menghormati" definisi itu maka pertanyaan itu tidak masuk akal.
Mencoba memahami jawaban atas pertanyaan yang tidak masuk akal penuh dengan bahaya :-).

Itu tidak dapat berasal dari tekanan, tegangan, karena jika itu terjadi, katup harus sangat panas jika hanya ada cukup air di bagian yang lebih tinggi dari kedua tangki, sehingga memberikan banyak tekanan pada katup.

Anda memiliki tekanan tetapi tidak ada aliran. Energi tidak ditransfer - tidak ada daya yang dibutuhkan.

Saya pernah membaca bahwa panas berasal dari aliran listrik aktual, arus. Pada awalnya ini tampaknya intuitif. Tapi kemudian saya melanjutkan untuk mempertimbangkan apa itu kekuatan. Di sinilah kebingungan terjadi. Karena jika saya menggandakan tekanan dan menggandakan resistansi, arus tetap sama. Saya akan berpikir ini akan berarti bahwa pembuangan panas akan tetap sama. Namun kekuatannya berlipat ganda. Jadi apa artinya itu?

Ikuti energinya.
Karena saya = V / R = 2V / 2R saat ini tidak akan berubah ketika kedua V dan R digandakan.
TETAPI energi yang dibutuhkan untuk mendorong arus yang sama melalui pipa dua kali hambatan ganda. Iya?
yaitu menggandakan tekanan dan hambatan -> arusnya sama tetapi laju aliran energinya digandakan sehingga daya digandakan.

Perhatikan Kekuatan itu

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

Formula-formula ini secara fungsional identik dan dapat dipertukarkan.
Anda dapat beralih dari satu ke yang lain hanya dengan mengganti variabel.
Jika salah satu dari mereka masuk akal bagi Anda maka sisanya dapat diturunkan darinya hanya dengan memasukkan varian untuk variabel berdasarkan hukum Ohm.

misal
P = V x I Tapi V = IR
Jadi P = IR x I = I ^ 2R

P = I ^ 2R Tapi I = V / R Jadi P = (V / R) ^ 2 = V ^ 2 / R

Jika Anda senang dengan kekuatan yang 'dijelaskan' oleh salah satu dari VI atau V ^ 2 / R atau I ^ R maka hal di atas memungkinkan Anda untuk menunjukkan bahwa yang lain identik.

P = V x I
Tingkat energi sebanding dengan jumlah barang yang didorong dan seberapa kerasnya didorong.

P = I ^ 2R
Laju energi sebanding dengan seberapa keras benda didorong TETAPI sebanding dengan kuadrat berapa banyak barang didorong karena ketika Anda menggandakan jumlah barang yang didorong melalui pipa yang diberikan, Anda tidak hanya mendapatkan twie sebanyak barang per kali TAPI itu dua kali lebih sulit untuk mendorongnya.

P = V ^ 2 / R
Tingkat energi sebanding dengan kuadrat gaya dorong TETAPI berbanding terbalik dengan seberapa sulitnya mendorongnya.
1 / R mudah karena lebih sedikit usaha = lebih sedikit energi yang dibutuhkan.
Jika Anda menggandakan gaya yang digunakan, Anda menggandakan jumlah gaya yang digunakan sehingga laju energi naik. TAPI laju aliran juga berlipat ganda (I = V / R) sehingga Anda harus mendorong dua kali lebih keras, maka istilah V ^ 2.

Itu semua masuk akal.
Semuanya konsisten.
Itu semua dapat dikonversi antara berbagai cara untuk mengatakannya.
Kapan saja salah satu dari 3 ini tampaknya tidak benar, serang "alasan" yang tampaknya tidak demikian dan Anda akan menemukan bahwa alasan tersebut memiliki cacat.
misalnya pada contoh pertama yang diberikan tidak ada aliran arus sehingga tidak ada transfer energi sehingga tidak ada daya.