Android Things教程:电气基础之欧姆定律

译者注:由于本人水平有限,译文中难免会出现概念模糊、晦涩难懂,如果实在没心思看下去,请发挥你的学习能动性,到原文中自行翻译,感谢!!!点这里,直达英文各种长句的世界。

好了,既然你选择继续往下看,那就一起来学习吧!!!

译者:Noddy

地址:欧姆定律

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前言:任何直流电路中,电压、电流和电阻之间的关系首先由德国物理学家Georg Ohm(格奥尔格·欧姆)发现。

格奥尔格·欧姆发现,在恒定温度下,流过固定线性电阻的电流与施加在其上的电压成正比,并且与电阻成反比。电压、电流和电阻之间的这种关系形成了欧姆定律的基础,如下所示。

欧姆定律关系

欧姆定律关系三者之间的关系

通过知道电压、电流或者电阻三者之中的任何两个值,我们可以使用欧姆定律计算出第三个缺失值。欧姆定律广泛用于电子公式和计算中,因此“了解和准确记住这些公式非常重要”。

计算电压(V)

V(伏特) = I(安培) x R(欧姆)

计算电流(I)

I(安培) = V(伏特) ÷ R(欧姆)

计算电阻(R)

R(欧姆) = V(伏特) ÷ I(安培)

有时候通过使用图片,更容易记住欧姆定律之间的关系。如下图,V、I和R的三个量词已经被叠加到三角形(我们可以亲切地称为欧姆定律三角形)中,V在最顶部,而电压和电阻在下面。这种排列表示每个量词在欧姆定律公式中的实际位置。

欧姆定律三角形

Android Things教程:电气基础之欧姆定律_第1张图片
欧姆定律三角形

变换上图中欧姆定律的等式,将会给我们以下同样方程的组合:

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变换等式的左侧,可以计算各量词的值

然后通过使用欧姆定律,我们可以看到施加到1Ω电阻器的1V电压将导致1A的电流流动,并且电阻值越大,对于给定的施加电压,流动的电流就会越小。遵守“欧姆定律”的任何电气设备或组件,即流过其的电流与其上的电压(I ∝ V)成正比,例如电阻器或电缆,在本质上被称为“欧姆” ,而晶体管或二极管等,被称为“非欧姆”器件。(译者注:因为晶体管或者二极管大多的电阻值不是固定的,会随电压的大小和方向以及外界环境的变化而变化)

电路中的功率

电路中的功率(P)是在电路中吸收或产生能量的速率。诸如电压这类能量源将产生或输送电力,令连接到电压两端的负载能够加以吸收。(译者注:负载,即用来把电能转化为其他形式能的电子元件,详见这里)例如,灯泡和加热器等吸收电能,并将其转换为热或者光,或两者并存。电子元器件的值或额定值(瓦)越高,它们可能消耗的电功率就越多。

功率的数量符号为P,单位是瓦特(W),是电压和电流的乘积所得。前缀用于表示瓦特的各种倍数或者子倍数,例如:毫瓦((mW = 10-3W)),千瓦(kW = 103W)。

然后通过使用欧姆定律代替V、I和R的值,电功率的通过以下公式计算:

计算功率(P)

P(瓦特) = V(伏特) x I(安培)

或者,

P (瓦特) = V2(伏特) ÷ R(欧姆)

或者,

P(瓦特) = I2(安培) x R(欧姆)

再次地,功率、电流、电压这三个量词被叠加到三角形中,称为功率三角形,其中功率在顶部,电流和电压在底部。这种排列表示每个量词在欧姆定律功率计算公式中的实际位置。

功率三角形

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功率三角形

变换上图中基于欧姆定律功率计算公式的等式,将会给我们以下同样方程的组合:

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变换等式的左侧,可以计算各量词的值

因此,我们可以看到有三种可能的公式用于计算电路中的电功率。如果计算的功率为正值,则元件吸收能量(+P),即它消耗或使用能量。但是如果计算的功率是负值,则元件产生能量(-P),换句话说,它是电力源,例如电池和发电机。

额定功率

电子元件被赋予以瓦特为单位的“额定功率”,它表示元件将电能转换成诸如热、光或运动等其他形式的能量的最大速率。例如,1/4W电阻器,100W灯泡等。

电气设备将一种形式的电能转换成另一种形式的能量。例如,电动机将电能转换成机械能,而发电机将机械能转换为电能。灯泡将电能转换为光和热。

此外,我们现在知道功率单位是瓦特(WATT),但是一些电气设备如电动机仍然用诸如“马力”或hp这样的旧测量单位来定义额定功率。马力和瓦特之间的关系为:1hp = 746W。例如,两马力电动机的额定功率为1492W(2×746),或者1.5kW。

欧姆定律饼状图

为了帮助我们进一步了解各种值之间的关系,我们可以从上面的所有欧姆定律方程中找到电压、电流、电阻和功率,并将它们压缩成一个简单的欧姆定律饼状图,用于交流电路和直流电路的计算,如下图所示。

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欧姆定律饼状图

除了使用上图所示的欧姆定律饼状图之外,我们还可以将单个欧姆定律方程放入一个简单的矩阵表中,以便在计算未知值时方便参考,如下图所示。

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欧姆定律矩阵表

欧姆定律简单例子

对于下图所示电路,计算出电压(V)、电流(I)、电阻(R)和功率(P)。

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计算各量词的值

电压 [V = I x R] = 2 x 12Ω = 24V

电流 [I = V ÷ R] = 24 ÷ 12Ω = 2A

电阻 [R = V ÷ I] = 24 ÷ 2 = 12Ω

功率 [P = V x I] = 24 x 2 = 48W

电路中的功率仅在电压和电流同时存在的条件下才得以存在。例如,在开路条件下,存在电压,但没有电流 I = 0A,因此 V x 0 = 0W,所以电路内消耗的功率也必须为零。同样地,如果我们在短路的情况下,存在电流流动(译者注:而且电流往往会很大),但是没有电压 V = 0,因此 0 × I = 0W,因此电路中消耗的功率再次为0。

由于电功率是 V x I 的乘积,所以无论电路包含高电压和低电流还是低电压和高电流,电路中消耗的功率都是相同的。通常地,电功率以热(加热器),机械工作(例如电动机),放射能量(辐射)或作为存储能量(电池)的形式耗散。

电路中的电能

电能表示做功的能力,单位是焦耳(J)。电能是功率和消耗时长的乘积。因此,如果我们知道以瓦特为单位的功率,以及以秒为单位的时间,我们就可以找到以瓦特每秒为单位的电能。换句话说,电能 = 功率 × 时间 和 功率 = 电压 × 电流。因此,电功率与电能相关,并且给出的电能的单位是瓦特每秒或者焦耳。

电能计算公式

电能(J) = 功率(W)x 时间(s)

功率也可以定义为能量传递的速率。如果一个焦耳以一秒的恒定速率被吸收或递送,则相应的功率将等同于1瓦特,因此功率可以被定义为“1焦耳/秒 = 1瓦”。然后我们可以说1瓦特等于1焦耳每秒,功率可以定义为做功或传递能量的速率。

功率和电能三角形

Android Things教程:电气基础之欧姆定律_第8张图片
功率和电能三角形

从中可以计算各个量词的值:

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计算各量词的值

我们在前文说过,电能被定义为1瓦特每秒或者焦耳。虽然电能以焦耳为单位测量,但当用于计算元件所消耗的能量时,其可以变成非常大的值。

例如:如果100瓦灯泡打开24小时,那么消耗的电能将会是8,640,000焦耳(100W x 86,400s),因此使用诸如千焦耳(kJ = 103J)或兆焦耳(MJ = 106J)等前缀来表示,所以在该简单示例中,消耗的能量将为8.64MJ(兆焦耳)。

当用焦耳、千焦耳或者兆焦耳表达电能时,往往数值尾部会拖着大量的零号(译者注:因为以单位时间s来计算),所以用千瓦时来表示电能消耗就显得容易得多。

如果消耗(或产生)的电功率以瓦特或千瓦为单位测量,并且时间以小时而不是秒为单位,则电能单位将是千瓦时(kW·h)。然后之前的例子中,我们的100瓦灯泡将消耗2,400瓦特每小时或2.4kW·h,这比8,640,000焦耳更容易理解。

1kW·h是额定功率为1000瓦的设备在一小时内所使用的电量,通常称为“电力单位”。这是由电表计量的,往往我们从电力公司收到的家庭用电量账单就是 xx kWkW·h。(译者注:,也就是我们常用通俗说法的用了多少度电)

千瓦时是我们家庭中电表使用的能量的标准单位,用于计算我们使用的电量,因此我们需要支付多少费用。如果你打开额定功率为1000瓦的电火炉1小时,你将消耗1kW·h的电量;如果你打开两个这样瓦数的电火炉半小时,总消耗将是完全相同的电量 - 1kW·h。

因此,消耗1000瓦特一小时与消耗2000瓦特半小时所需要的能量是一样的。所以,对于100瓦灯泡来说,使用1kW·h或1度电,需要接通总共10小时(10h × 100W = 1000W·h = 1kW·h)。

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