华航知识科普系列--19
深圳华航无人机
大家有没有思考过这样一个现象, 就是那个功率是2000瓦特的电暖器仅仅打开了1个小时, 和那个功率是100瓦特的灯泡打开了整整20小时, 这两者消耗的电力费用是完全相同的, 为什么会是这样子, 还有那个通过电流非常大的导线它为什么会被制造得那么的粗壮, 以及那个手机在进行快速充电的过程当中为什么会产生热的感觉。
功率这个东西, 现在的人一看就明白, 它就是形容干活快慢的一个指标电能呢就是用来衡量总共干了多少活儿的焦耳定律这个公式嘛, 就是算电阻发热时候的那个量。
今天这一篇文章的内容, 就是把这三个不同的概念, 给一次都给大家讲得清清楚楚的, 非常明白的那种状态。
功率这种东西, 说白了就是干活的那个速度, 具体是什么意思? 它就是单位时间内所消耗掉的电能, 或者是单位时间内所产生的电能, 而这个东西的单位是瓦特, 简称瓦特这个符号, 是用大写的W来代替的, 大家一定要记住这一个等式关系, 也就是说一瓦特的意思等同于焦耳除以秒。
第一部分章节的内容涉及到功率这一部分, 而在第一部分当中专门讨论了功率的定义, 具体为第一条正式的定义。
功率是指, 在单位的时间里面, 所完成的功的量, 又或者是在同样的时间范围内, 被消耗掉的或者产生的那一部分电能的量。
定义式：
P = W / t
P, 这指的是功率这个概念, 它所代表的单位是瓦特, 括号里面写着W。
W: 功（电能）, 单位焦耳（J）。
-t是指时间的意思, 其单位是秒这个单位, 通常写作s。
在电学当中那个使用频率相对更为常见的那些公式内容。
P = UI
P, 这指的是功率这个概念, 它所代表的单位是瓦特, 括号里面写着W。
-U指代的是电压这个物理量, 它的单位通常采用伏特来进行表示, 也就是我们所说的符号V。
-I: 指的是电流, 其单位是安培（A）。
把那个欧姆定律给摆上之后, 它还可以变成下面这种写法:
公式P等于I的平方乘以R, 也等于U的平方除以R。
2.通俗理解
我们应当把功率这个东西进行想象, 具体的做法就是把它看成像是水管子那里的出水的这一个速度。
我们可以把电能这个概念理解为一个水池子里面究竟总共包含了多少水, 也就是总量。
- 功率 = 每分钟流出多少水。
所谓的时间这一事物指的是某件事情已经持续流行了这么长的时间。
功率大这一情况, 是说明了干活的速度比较快, 具体来讲, 指的是在相同的时间内能够完成更多的工作量, 或者是针对相同的一项工作, 能够在更快的时间内将其完成。
咱们换一个其他的比喻方式, 把功率看做是赚钱的速度大小, 把电能看做是已经赚到手的那些总金额。
比如月薪是三万块钱, 也就是赚钱速度比较大的人, 工作一个月的时间, 这和月薪只有一万块钱的人连续工作三个月的时间相比, 这两个人最后拿到的总收入数额可能会是一样的, 换句话说就是总钱数相同的情况出现的时候, 大家赚钱的这个快慢程度还是有着非常大的差别的。
3.功率和电能的关系
所谓的电能这个东西, 其实它就直接等于那个功率, 再乘以时间。
W = P × t
功率指的是速度, 而电能指的是总量, 所以功率大的情况并不代表电能就多, 还必须要看使用的时间。
一个功率为2000W的电暖器连续工作1个小时, 消耗的电量为2度；而一个功率仅有100W的灯泡连续点亮20小时, 所消耗的电量也是2度。虽然用电器的功率存在差异, 但实际使用的电能数值是相等的。
二、功率的计算单位是瓦特, 这是它所对应的基本单位。
功率的单位是瓦特, 它的符号是W, 取这个名字是为了纪念英国的那位发明家詹姆斯·瓦特, 而他主要的成绩在于改良了蒸汽机。
关于1瓦特的定义是这样的, 也就是说在1秒这个时间段里面完成了1焦耳的功的话, 那么当时的功率就是1瓦特。
1W = 1J/s = 1V × 1A
2.常用单位换算
3.量级速查
三、常见电器的功率
同样是叫做充电, 手机的快充是20W, 而电动车的慢充是7kW, 二者相差达350倍。功率存在差异, 这导致充电速度完全不同, 同时也对电网的要求产生了完全不同的影响。
第二部分电能, 具体指的是电能的定义这一项。
1.正式定义
电能是指电流所做的功, 也可以理解为电场力在移动电荷的过程中所完成的那些功。
公式：
W = UIt
-W: 指的是电能, 它的单位就是焦耳, 这个符号简写为J。
-U指代的是电压这个物理量, 它的单位通常采用伏特来进行表示, 也就是我们所说的符号V。
-I: 指的是电流, 其单位是安培（A）。
-t是指时间的意思, 其单位是秒这个单位, 通常写作s。
把那个欧姆定律给摆上之后, 它还可以变成下面这种写法:
W = I²Rt = U²t / R
2.通俗理解
电能就是电“干活”的总量。
灯泡亮了1小时, 消耗了多少电能?
当电机运转了十分钟的这段时间之后, 到底是多少电能的数值被消耗掉了呢?
电池已经完全充满了, 它里面实际储存下了多少电能呢?
这些概念啊, 它指的是的是总体数量, 而不是指的速度的那个意思。
功率这个概念, 它其实指的是“干活的速度”, 而电能, 则是指实际上“已经干了多少活”。
3.电能和功率的关系
W = P × t
这个电能其实就等于功率乘以时间。
虽然大功率并且使用时间还短, 但是电能的情况是不大的。
功率虽然比较小, 但是时间却用得非常长, 所以电能这个东西可能是会非常大的。
2000W功率的电暖器, 只开启1小时的时间, 耗电量就等于2度电；而100W功率的灯泡, 需要持续开启20个小时, 耗电量才能达到2度电, 这里存在一个事实, 就是前者和后者的功率差距高达20倍之多, 然而它们最终所消耗的电能其实是完全一样的。
二、电能的单位
1.基本单位：焦耳
电能的国际单位是焦耳, 同时它的符号是 J。
1焦耳等于在1牛顿的力作用下, 物体移动1米时所完成的功。它也等于功率为1瓦的设备, 持续工作1秒钟所消耗的能量。
1J 等于 1W·s, 也等于 1V·A·s。
2.大家平常用的单位是千瓦时, 还有度。
在日常生活里, 电能是用千瓦时来进行呈现的, 而这个单位的符号就是kWh, 大家通常又把它俗称为“度”。
一度电, 就是功率为一千瓦的东西, 持续用上一小时, 那么所消耗的能量, 就等于一千瓦乘以三千六百秒, 结果, 等于3.54 × 10^6 J。
也就是说, 1度电所对应的能量数值, 实际上是等于360万焦耳。
3.单位换算表
4.量级速查
大家看到的手机电池上面会标注出 3.7V, 把这个电压数值拿来做事情, 就是用容量的 5Ah 去乘以电压的 3.7V, 最后算出来的电能就是 18.5Wh, 这个能量换算成咱们平时说的度数电的话, 就是 0.0185度电。
这就意味着, 一部手机的电池如果要给它充满一次电, 所消耗掉的电量差不多也就是 0.02度电左右。但是呢, 我们再看一辆电动车, 它要把电池充满需要用到 60度电, 这 60度电到底有多少, 大家可以这么去理解, 这一个电动车的充电电量加起来, 足足相当于 3000部手机的充电电量总和。
三、现在就来谈一下第一个事情, 这个事情叫作能量转换效率的定义。
能量转换效率这个东西, 它其实指的就是用那个输出的、算作有用的能量, 去除以那个总的输入进去的能量, 得出的那个比值。
公式：
η等于有用输出能量除以总输入能量, 然后再乘以一百百分之。
这个eta指的是效率, 是用一个百分数来作为表示手段的。
这个所谓的有效性输出能量, 指的就是一种真正的、实实在在干了活的能量状态。
总输入能量指的是在过程中所消耗的全部能量的总和。
2.通俗理解
效率嘛, 其实就是说那个不浪费掉东西的比例, 也就是这么个意思。
效率是100%的, 这意味着输入的能量全部变成了有用的功, 没有出现任何浪费的情况, 但这是在理想情况下的描述。
这个效率的数值是百分之五十, 也就是输入的总能量里面有一半是用来干活的, 还有另一半则是被浪费了, 通常变成热。
效率是百分之十, 意思就是说所输入的能量的百分之九十都被浪费了。
有一个电机, 它输入了100W电能, 然后输出80W机械能, 剩下的20W变成了热, 那么这个效率就是80%。
3.常见设备的效率
4.效率为什么重要
第一, 可以省电还可以省钱。因为效率从百分之八十提高到了百分之九十, 所以在做同样的工作的时候, 能够少用百分之十电。
从第二个方面来讲, 是要把发热的情况给减下来, 要知道那些被白白浪费掉的能量呢, 最终基本上都是转化成了热, 所以说如果设备的效率不够高的话, 那么产生的热量就会特别大, 这就不得不去安装尺寸更加庞大的散热器来应对了。
第三, 这会对续航能力造成影响, 因为无人机的电池所包含的能量是有限的, 一旦运行过程中的效率提升了 1%, 那么它的续航时间就能够相应地增加 1%, 这是一种十分直接的因果关系。
第四, 环保。因为效率越高, 那么做同样一件事情的时候所消耗的能源就越少, 所以产生的碳排放也就越低。
5.无人机中的效率
关于电池放电效率这一块的数据是大约百分之九十五左右, 在相关的过程中会存在少量因为内阻而产生发热的现象情况。
电调的效率, 大约是百分之九十到百分之九十五, 主要是因为MOS管存在开关损耗。
电机的效率大概是在百分之八十到百分之九十这个区间内, 这里面存在着铜损、铁损以及机械损耗。
螺旋桨的效率大概在百分之七十到百分之八十五之间这么个范围, 这主要是因为有气动损耗存在。
整机的悬停效率大概在百分之三十到百分之五十之间, 大部分的能源都被用来克服诱导阻力以及摩擦阻力。
有一架供大众使用的无人机, 它里面的电池充满了电, 电量是满的, 但是最后真正用来把飞机托在空中的能量, 只占了30%到50%, 其余的能量全都变成了热气以及气流的运动, 没有了其他用处。
第三部我们来分开说明一下, 具体是针对焦耳定律进行阐述, 第一步是解释什么是焦耳定律的定义。
当电流流经那个导体的时候, 热量会被产生出来, 这个热量的多少, 是和电流的大小平方之后的数值成正比的, 同时也是和那个导体的电阻成正比, 最后, 还和通电所耗费的时间成正比。
公式：
Q = I²Rt
产生的热量, 是用焦耳（J）这个单位来计量的。
-I: 指的是电流, 其单位是安培（A）。
- R：电阻，单位欧姆（Ω）。
-t是指时间的意思, 其单位是秒这个单位, 通常写作s。
二、通俗理解
当电流通过电阻的时候, 电子会和原子发生碰撞, 就这样把电能变成了热能, 而且随着电流变得更大, 电阻变得更大, 时间变得更长, 发热量就会更多。
这一点的关键就在于热量和电流的平方是成正着的这种关系的, 当这个电流翻成一倍的时候呢, 那个热量就变成了原来的四倍, 要是这个电流变成三倍的话, 热量也就变成九倍了。
这就是为什么大电流电路特别容易发热的具体原因所在, 只要电流稍微有一点点的增大, 随之而产生的发热量就会出现一种类似于平方数那样快速增长的现象。
三、焦耳定律的三种形式
结合欧姆定律 U = IR物理初中电功率视频物理初中电功率视频，焦耳定律可以写成三种形式：
实际上这三种形式在本质上完全是一样的, 所以选择哪一个, 主要是得去看看你手头已知的条件到底是什么样的情况。
四、焦耳定律的应用, 1是保险丝, 它利用故意发热来对电路进行保护。
保险丝是一段电阻较大、熔点较低的导线。电流正常时，发热少，保险丝不熔断。电流过大时，Q = I²Rt 急剧增大，保险丝迅速发热熔断，切断电路，保护其他元件。
2.电暖器和电炉, 利用的是焦耳定律来发热。
电炉丝使用的是镍铬合金, 这种合金的特点是电阻率比较高, 所以在通上电以后, 它会产生大量的热量, 进而把电能转换成热能, 这就构成了“电热”现象的基本原理。
3.在需要选择导线的时候, 要把重点放在防止出现过热现象这一点上。
因为导线自身存在电阻, 所以当大电流通过它的时候，就会发热, 要是导线选得太细, 那么电阻就会变大, 发热量也会跟着增多, 这样的话, 绝缘层可能会被熔化，甚至引发火灾, 因此, 对于大电流的情况来说, 必须使用粗细度足够大, 也即是横截面积比较大, 从而能让电阻值比较小的导线。
4.关于电机的散热方面, 焦耳损耗是主要热源。
因为电机绕组本身是有电阻存在的, 所以当电流在上面经过的时候就会产生铜损, 也就是那个一平方R的这种损耗表现, 而这个情况正是导致电机发热最主要的根源所在, 所以在面对大功率电机这种设备的时候, 就务必要采用强制风冷或者水冷这样方式来进行降温处理。
5.无人机电池发热
电池内部存在内阻, 这个内阻的数值大概在毫欧姆那个级别, 当处于大电流放电的状态下, 根据Q等于I平方Rt这个公式会产生热量, 在植保无人机进行喷洒作业的时候其工作电流能够达到100安培以上, 这就导致电池发热情况变得非常严重, 所以必须做好散热设计。
五、大家需要看清楚焦耳定律, 并且把电功率联系到一起进行理解。
电功率 P = UI 这个说法, 指的是总功率, 它把有用功率和发热功率都包括在内。
在纯电阻电路中, 也就是说只有电阻存在, 而没有像电机或者电感这样的其他元件。
功率等于电流平方乘以电阻, 或者等于电压平方除以电阻。
针对像电动机那样的, 不属于纯电阻范畴的电路系统。
总功率等于电压乘以电流, 也就是用P总表示的总值。
这个发热功率的值等于电流的平方乘以电阻。
P有用它等于那个P总减去P热, 这个括号里头注明的是有用功率。
一个电机其两端的电压达到了10V, 电流为2A, 绕组的电阻则为1Ω。
总功率 P总 被计算出来, 它的值等于10伏特乘以2安培, 最终的数值就是20瓦特。
根据计算公式, 发热功率等于电流的平方乘以电阻, 将具体的数值代入后进行运算, 最后得出结果为4瓦特。
- 有用功率P有用等于20减去4结果就是16W。
效率被标识为η, 它等于16除以20计算得到的数值也就是80%这个结果。
六、公式速查表
功率相当于赚钱的速度, 电能相当于总存款的多少, 而焦耳定律则是代表摩擦过程中所产生的损耗。
功率跟时间的乘积就等于电能, 而1度电这个能量单位第一考试网，等于360万焦耳的大小。
当电流发生翻倍的情况之后, 发热现象就会翻转到四倍的水平, 这个原因也就是为什么在大电流的使用环境下是需要采用更粗的电线来进行连接的。
每提高1%的效率, 续航的时间就会多出来1%, 同时电的费用也会减少1%。
你是否曾经算过自己在家里面的电费是多少? 你知不知道给自己的手机把它充满了电要用多少度电? 欢迎你在评论区里面去聊一聊天。