No entiendo qué poder es en realidad

Me doy cuenta de que esta es probablemente una pregunta súper común, pero tengo que ponerla en mis propias palabras.

Trato de entender la ley de ohm con la analogía del agua. Dos tanques con agua, uno con un nivel más alto que el otro, y una tubería que los conecta a los dos. El agua quiere fluir. Hay una válvula que representa una resistencia.

Lo que comienza mi confusión es cuando empiezo a pensar en la disipación de calor en un circuito eléctrico. ¿De dónde viene realmente este calor?

No puede provenir de la presión, el voltaje, porque si lo hiciera, la válvula debería estar extremadamente caliente si simplemente hay suficiente agua en el más alto de los dos tanques, ejerciendo mucha presión sobre la válvula.

He leído que el calor proviene del flujo real de electricidad, la corriente. Al principio esto parece intuitivo. Pero luego paso a considerar qué es el poder. Aquí es donde surge la confusión. Porque si doblo la presión y doblo la resistencia, la corriente permanece igual. Creo que esto significaría que la disipación de calor se mantendrá igual.

Pero el poder se duplica. Entonces, ¿qué significa eso realmente?

¿Se ha drenado mi tanque al otro tanque a una velocidad diferente debido a la mayor potencia, a pesar de que el flujo real de corriente se ha mantenido constante?

¿Qué es el poder?

Puedes pensar en lo que le sucede al flujo de electrones en el cable. Aunque no es cierto, trate de pensar en el electrón como una partícula mecánica. Cada vez que intenta moverse dentro del cable, golpea algo y esa colisión genera calor. Por lo tanto, puede pensar en una energía que se transfiere de la energía cinética del electrón al calor (por lo que la velocidad del electrón disminuye en ese momento). Por lo tanto, los electrones no tienen una velocidad constante todo el tiempo, aunque podemos decir que tienen una velocidad promedio y esta velocidad promedio depende de la resistencia del cable, lo que es exactamente este obstáculo que golpea el electrón.

El cable no se calentaría si no tiene resistencia. Por lo tanto, el cable no consumiría energía.

Cuando duplica el voltaje y también duplica la resistencia, puede pensar que el campo eléctrico dentro del cable es más alto, por lo que el electrón puede alcanzar una alta velocidad más rápido que con un voltaje más bajo. Pero también la resistencia es mayor, por lo que puede golpear sus obstáculos de una manera más fuerte. Por lo tanto, la velocidad promedio puede ser la misma (la corriente es la misma) aunque ahora está disipando más calor porque las colisiones son más fuertes.

Esta es una forma muy grosera de pensar, pero puede ayudarte a imaginar por qué las cosas son como son, según algunas analogías.

Además, puede pensar que el poder es Joules por segundo (Watt). Entonces relaciona alguna unidad de energía por tiempo. En el ejemplo de la ley de ohmios, se aplica a la disipación de calor. En otras palabras, cuánta energía se desperdicia en calor a través del cable. Si piensa en sistemas mecánicos, la potencia puede representar la cantidad de energía necesaria para mover algo (puede calcular su energía cinética mínima para lograr la velocidad deseada y calcular la cantidad de energía que debe transferir a este objeto para alcanzar esa velocidad). Entonces, como el poder está directamente relacionado con la energía, puede pensar que la energía siempre se transfiere de una manera a otra. El poder puede indicar qué tan rápido suceden estas cosas.

Para una analogía mecánica, piense en la resistencia eléctrica como fricción mecánica , el voltaje como fuerza y la corriente como velocidad .

Suponga que hay un objeto, sujeto a fricción, que se mueve con una velocidad constante (esto es análogo a un circuito resistivo con una corriente constante).

Debe haber una fuerza aplicada (análoga a una fuente de voltaje) y una fuerza de fricción opuesta (análoga al voltaje a través de la resistencia).

Ahora, como seguramente habrás observado, la fricción convierte la energía cinética a energía térmica (pensar en cómo los frenos se calientan cuando se detiene su coche rápidamente de una velocidad alta).

El poder asociado es la tasa de esta conversión de energía; es la cantidad de energía cinética que se convierte en energía térmica por segundo .

Es fácil demostrar que la potencia asociada con una fuerza de fricción y una velocidad v viene dada por:$F_f$

Esto debería ser intuitivo para ti. Si mueve sus manos lentamente juntas, no sentirá mucho calor. Si mueve sus manos rápidamente juntas, puede calentarlas rápidamente.

La fuerza de fricción viene dada por:

donde es el coeficiente de fricción. Esto es análogo a la Ley de Ohm$\mu$

Finalmente, abordemos su pregunta:

Porque si doblo la presión y doblo la resistencia, la corriente permanece igual. Creo que esto significaría que la disipación de calor se mantendría igual.

Pero el poder se duplica. Entonces, ¿qué significa eso realmente ?

En nuestra analogía mecánica, ¿qué sucede si duplicamos la fricción (que es análoga a duplicar la resistencia) y suponemos que la velocidad del objeto sigue siendo la misma (que es análoga a la corriente que permanece igual)?

La fuerza de fricción se duplica y, por lo tanto, la potencia debida a la fuerza de fricción se duplica .

Mecánicamente, esto es intuitivo. Si está en un automóvil a una velocidad constante y la fricción de rodadura se duplica repentinamente, deberá duplicar la potencia de salida del motor (presione el pedal del acelerador con más fuerza) para mantener su velocidad .

El poder es ante todo una tasa de cambio en la energía. Si la energía fuera dinero, entonces la energía perdida serían sus gastos mensuales, y la energía obtenida sería su ingreso mensual. Si ambos son iguales, entonces no hay cambio neto de energía cada mes.

Pero, ¿qué es realmente la energía? La energía es lo que necesita para trabajar, como levantar algo pesado (contra un campo gravitacional), separar dos imanes (contra un campo magnético) o desplazar partículas cargadas (contra un campo eléctrico). Es este último ejemplo el que se aplica a la electricidad básica.

Por lo general, puede definir algún tipo de partícula que sea sensible y pueda ser empujada al estar dentro de un campo, y un campo es solo una forma de visualizar y cuantificar dentro de los grados de libertad de esta partícula (como coordenadas espaciales), qué tan fuerte y en qué dirección se empuja.

Entonces, mover físicamente esta partícula a través del campo requiere energía. Si define un punto arbitrario A dentro del campo y calcula la energía para llevar una partícula a otro punto B, podría decir que el punto B tiene un potencial igual a esta energía. Como A era arbitrario, solo tiene sentido hablar de diferencias potenciales.

En el contexto de un campo eléctrico, la sensibilidad de las partículas (como los electrones) a este campo se llama carga, y las unidades se llaman Coulombs. Entonces el potencial tiene unidades de energía / carga, o [Joules] / [Coulomb], que es lo mismo que Voltaje .

Entonces, si tiene una diferencia potencial entre los puntos A y B en un circuito (un voltaje), y hay una cierta cantidad de carga que va de A a B a una cierta tasa (una corriente), entonces hay una tasa de energía siendo usado (poder). Realmente no importa cómo pasaron del punto A al punto B (a través de un cable, resistencias, diodos, transistores, aire, un lápiz, etc.), lo único que importa es el voltaje y la corriente, y la potencia es su producto:

Puedes consultar las unidades:

Cuando se habla de resistencia, solo se habla de cómo un material afecta la cantidad de corriente que lo atraviesa, dada una diferencia de potencial a través de él, pero solo las resistencias tienen una relación lineal tan simple, por lo que la relación que fue implícito en su pregunta no es cierto para nada más que resistencias idealizadas, y esa ecuación de potencia es solo el resultado de su propiedad de que la corriente es directamente proporcional al voltaje a través de ellos. La buena noticia es que esto puede ser parte de un modelo de muchos dispositivos reales en puntos operativos particulares, por lo que es un concepto muy útil, solo quiero aclarar que no es un modelo completo de ningún dispositivo real. En otras palabras, es universal, no lo es.P = V ⋅ I P = V 2 /$P=V^2/R$$P=V\cdot I$$P=V^2/R$

Con suerte, ahora debería estar más claro por qué sin corriente no puede haber ninguna potencia (no está desplazando ninguna partícula cargada, por lo que no se está trabajando), y por qué la potencia no depende solo de la corriente (cargas en movimiento a través de potencial cero no requiere ningún 'esfuerzo'). Realmente se trata de la cantidad de cargas que mueves por unidad de tiempo y de la diferencia de potencial.

Por definición, la potencia ES la velocidad a la que se transfiere o varía la energía.
Si toma eso como un elemento fundamental fundamental, todas las demás preguntas deben tener sentido con respecto a esto.
Si la pregunta no "respeta" esa definición, entonces la pregunta no tiene sentido.
Intentar entender las respuestas a preguntas sin sentido está lleno de peligros :-).

No puede provenir de la presión, el voltaje, porque si lo hiciera, la válvula debería estar extremadamente caliente si simplemente hay suficiente agua en el más alto de los dos tanques, ejerciendo mucha presión sobre la válvula.

Tienes presión pero no fluyes. La energía no se transfiere, no se requiere energía.

He leído que el calor proviene del flujo real de electricidad, la corriente. Al principio esto parece intuitivo. Pero luego paso a considerar qué es el poder. Aquí es donde surge la confusión. Porque si doblo la presión y doblo la resistencia, la corriente permanece igual. Creo que esto significaría que la disipación de calor se mantendría igual. Pero el poder se duplica. Entonces, ¿qué significa eso realmente?

Sigue la energía.
Como I = V / R = 2V / 2R, la corriente no cambiará cuando tanto V como R se dupliquen.
PERO la energía requerida para empujar la misma corriente a través de una tubería del doble de resistencia es el doble. ¿Si?
es decir, duplicar tanto la presión como la resistencia -> la corriente es la misma pero el caudal de energía se duplica, por lo que la potencia se duplica.

Tenga en cuenta que el poder

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

Estas fórmulas son funcionalmente idénticas y son intercambiables.
Puede ir de uno a otro simplemente sustituyendo variables.
Si alguno de ellos tiene sentido para usted, entonces el resto puede derivarse de él simplemente conectando variantes para las variables basadas en la ley de Ohm.

p. ej.
P = V x I Pero V = IR
Entonces P = IR x I = I ^ 2R

P = I ^ 2R Pero I = V / R Entonces P = (V / R) ^ 2 = V ^ 2 / R

Si está contento con que el poder sea 'explicado' por cualquiera de VI o V ^ 2 / R o I ^ R, entonces lo anterior le permite mostrar que los demás son idénticos.

P = V x I
La tasa de energía es proporcional a la cantidad de material empujado y a la fuerza con que se empuja.

P = I ^ 2R
La tasa de energía es proporcional a la fuerza con la que se empujan las cosas, PERO proporcional al cuadrado de la cantidad de cosas que se empujan porque cuando duplica la cantidad de cosas que se empujan a través de un tubo dado, no solo obtiene el doble de cosas por vez PERO es el doble de difícil empujarlo.

P = V ^ 2 / R
La tasa de energía es proporcional al cuadrado de la fuerza de empuje PERO inversamente proporcional a lo difícil que es empujarla.
1 / R es fácil ya que menos esfuerzo = menos energía necesaria.
Si duplica la fuerza utilizada, duplica la cantidad de fuerza utilizada para que aumente la tasa de energía, PERO la tasa de flujo también se duplica (I = V / R), por lo que debe presionar el doble el doble de fuerza, por lo tanto, V ^ 2 término.

Todo tiene sentido.
Todo es consistente.
Todo se puede convertir entre varias formas de decirlo.
Cada vez que alguno de estos 3 no parezca ser cierto, ataca la "razón" por la que no lo parece y descubrirás que el razonamiento tiene un defecto.
Por ejemplo, en el primer ejemplo dado no había flujo de corriente, por lo que no había transferencia de energía, así que no había energía.