电路分析基础之从零阅读(二)-电路基本变量

2019年6月5日 FireSu 1565  0  0
什么是电压?什么是电流?什么是电量?什么是电功率?什么是电功?知道电池容量如何计算产品续航?1度电可以充满几块电池?切记,电功不是电功率哟!

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电路中的基本变量为:电量、电流、电功、电功率、电压。5个变量中,每2个变量之间都有相对应的函数关系,所以我们说电学中的变量四通八达。课本中常用来分析的变量是:电压,电流,电功率。而工程设计中,这些变量都很常用。比如,知道某电池的电量和电压,如何计算电池充满需要几度电?再比如,知道某电池的容量,我们如何计算产品的续航时间?熟练掌握这5个变量之间的关系,不是死记硬背,一定要把握每个变量的物理意义,以及他们的单位属于什么量纲。

电量和电流

电量(Q)代表的是电荷量,表征的电荷数量的多少,常用在电池方面。它的常用单位有库伦(C)、毫安时(mA·H)、安秒(A·s)、伏法(V·F)等等为什么有这么多的单位,全归功于电学中四通八达的公式。比如毫安时和安秒单位就来自于电流公式。

电流全称叫电流强度(I),表征单位时间(1s)内流过导体的电荷量。由此概念,我们可以得到电流公式:I=Q/t。而基于电流的公式,我们又可以反推电量公式,即Q=I*t

电流的单位是安培(A),时间的单位是秒(s),电量的单位是库伦(C)。由Q=I*t公式,我们也可以知道1C=1A*s=1000mA*1/3600h=1/3.6mAh。这就是电量单位安秒和毫安时的由来。

毫安时(mAH)是电池电量的单位,假如电池容量是100mAh,即表示电池在理想状态下,按照100mA放电,可以放电1小时。

同样的,根据电容公式C=Q/U,我们又可以得到库伦与伏法之间的关系。

电功和电功率

对于电功、电功率还有电量,相信有很多人傻傻分不清楚。

牛顿物理学中,功表示物体运动需要的能量。表示力和力在力的方向上通过位移的乘积,单位为焦耳或者牛米(N*m)。电功表示的也是电的能量,可以称为电能。电能可以转化为热能(电阻发热),动能(电动机转动)、光能(LED灯)等各种能量。电学的物理公式五花八门,所以电工的单位又有很多。

1.      电功和牛顿经典物理学中的功一样,的单位是焦耳(J)。1焦耳=1牛米(N*m)。

2.      电功是电功率与时间的乘积。根据公司P=Wt1焦耳=1瓦秒(W*s=0.001KW*1/3600)小时=2.7*10^-7千瓦时=2.7*10^-7度。这个单位想必很多人熟悉,家里交电费就是按照电功交的,电功表示电能量的多少,家里耗了多少电能,就需要交多少电费,可不是按照电功率交电费呢。

电功率表示单位时间内传递的电能,单位为瓦特。也为焦耳每秒(J/s)。

因为电功率的单位是瓦特(W),而电功又用字母W表示,所以很多人误以为电功就是电功率。

电压

电压是表征能量的衍生单位。

从电学的发展历史来看。电压的出现完全来源与哲学,当科学家们意识到电流和水流一样的时候,就提出了电压的概念。物理学家伏特为了复仇,发明了“伏特电堆”,首次证实了电压这个哲学概念,让人们认识到电流真的和水流一样,电压越强,电流越大。

那么电压时怎么产生的呢?

电子和原子核组成原子,原子组成了物质。电子数与原子核质子数一致时,原子不显电性,电子被剥离后,原子显正电,剥离后的电子显负电。剥离后的电子移动产生电流,移动到某个区域以一定的量积累起来后,积累的量是电量,积累起来后每个电子与显正电的原子之间产生吸引力,形成电场能量分布,电压表征单位正电荷在电场中具有的能量。电压的单位是伏特。

1.      根据定义,电压表征单位正电荷在电池中具有的电能,我们知道1V=1焦耳每电子电量(J/C)。反推过来,1焦耳=1伏特*1电子电量,1电子电量即电子所带电量,为1.6×10^-19 C,所以电功(电能)的单位又有电子伏特(eV)。

1焦耳=1.6×10^-19电子伏特(eV)。

2.      根据静电物理学公式,W=FS,我们知道电能的单位还可以为牛米(N*m),所以1V=1牛米每电子电量=1/1.6×10^-19N*m/C)。

3.      电能单位为一度或者1KWH,电压表示单位电量的电能,所以1V=1焦耳每电子电量(度/C=1瓦每电子电量(W/C=2.7*10^-7千瓦时每电子电量(KW*h/C=2.7*10^-7度每电子电量=2.7*10^-7/1.6×10^-19)(KW*h/C.前面我们知道1C=1/3600A*h=1/3.6mAh,代入1V=2.7*10^-7/1.6×10^-19)(KW*h/C)中,我们得到:1V=2.7*10^-7/1.6×10^-19/1/3600)(KW*h/A*h=2.7*10^-7/1.6×10^-19/1/3600)(KW/A)。可以看到KW是功率的量纲,A是电流的量纲。即U=P/I。我们发现电学定理中,条条大道通罗马。

假如有人问你,某款电池容量为1000mAh,标称工作电压为3.8V,那该电池有多少电能?是不是就很简单了。

W=1000mAH*3.8V=3800mW*h=0.0038KW*h=0.0038度电。

电动车使用的电池组电压为60V,电量为20Ah,充满需要多少电呢?

W=60V*20Ah=1200Wh=1.2KWh=1.2度电。一度电5毛钱,电动车充满一晚上,需要花费6毛钱。

电压表征的是某个相对位置的能量,与电荷自身所带电量无关(因为所有电荷带的电量都是相等的)。所以对电压的理解一定要把握住“相对”这个概念。假如a点对地电压为1Vb点对地电压为5Vc点对地电压为12V,则b点相对a点,电压Vab5-1=4Vc点相对b点,电压Vcb12-5=7Vb点相对c点电压为Vbc=5-12=-7V。理解电压的“相对特性”是分析电路最基础的要求,尤其是分析MOS管开启电压、有自举电容的电路。

 

熟练掌握以上5个变量,是熟练开始电路分析的必备条件之一。

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