直流电路中电能、功率和电荷之间的关系分析

电路

电能是电路通过产生动作产生功的能力。此动作可以采用多种形式，例如热，电磁，机械，电等。电能可以由电池，发电机，发电机和光伏电池等产生，也可以存储，以供将来使用燃料电池，电池，电容器或磁场等。因此，可以创建或存储电能。

我们从学校的科学课上记得，“能源守恒定律”指出，能源不能被创造或破坏，只能被转化。但是，为了使能量执行任何有用的工作，必须将能量从一种形式转换为其他形式。例如，电动机将电能转换为机械能或动能（旋转），而发电机将动能转换回电能以为电路供电。

也就是说，电机通过做功将能量从一种形式转换或改变为另一种形式。另一个示例是灯，灯泡或LED（发光二极管），它们将电能转换为光能和热能（热能）。然后，电能非常通用，因为它可以轻松转换为许多其他不同形式的能源。

为了使电能移动电子并在电路周围产生电流，必须完成工作，也就是说，电子必须通过电线或导体移动一定距离。完成的功作为能量存储在电子流中。因此，“功”是我们赋予能量过程的名称。

因此，我们可以说，工作和能源实际上是相同的能量可以被定义为“做一些工作的能力。” 请注意，完成的功或转移的能量与电气系统同样适用于机械系统或热力系统。这是因为机械能，热能和电能是可互换的。

电能：伏特

众所周知，能量是做功的能力，能量（和功）所用的标准单位是焦耳。能量的焦耳定义为在一秒内以一伏的电流消耗一安培的能量。电流由电路中电荷（电子）的移动产生，但是要将电荷从一个节点移动到另一个节点，需要有一种力来创造使电荷移动的功，并且存在：电压。

我们倾向于认为电压（V）存在于电路或电池电源内的两个不同端子，点或节点之间。但是电压很重要，因为它提供了将电荷从一个点移动到另一点（正向或反向）所需的功。当使用一焦耳的能量在这两个端子之间移动一个库仑电荷时，两个端子或点之间的电压或电位差定义为具有一伏特的值。

换句话说，两点或两个端子之间的电压差是焦耳使一个库仑电荷从A移至B所需的功。因此，电压可以表示为：

电压单位

其中：电压以伏特为单位，J是以焦耳为单位的功或能量，C是以库仑为单位的电荷。因此，如果J = 1焦耳，C = 1库仑，则V将等于1伏。

电能示例1

电池的端电压是多少，它消耗135焦耳的能量使15库仑的电荷在电路周围移动。

然后我们可以在此示例中看到，每个库仑电荷都具有9焦耳的能量。

电能：安培

我们已经看到，电荷的单位是库仑，并且电路周围的电荷流用于表示电流。但是，由于库仑符号是字母“ C ”，因此可以将其与电容符号（也是字母“ C ”）混淆。

为了避免这种混淆，用于电荷的通用符号是大写字母“ Q ”或小写字母“ q ”，基本上代表数量。因此，Q = 1库仑电荷或Q = 1C。请注意，电荷Q可以为正+ Q或负-Q，即电子或空穴的过量。

闭路电子形式的电荷流被称为电流。但是，使用“电荷流”一词意味着运动，因此要产生电流，电荷必须运动。这就引出了什么使电荷移动的问题，这是由我们的老朋友伏特（Voltage）从上面完成的。

因此，两点之间的电压或电位差提供了所需的电能，以使电荷以电电流的形式在电路中移动。因此，移动电荷所做的功由电势差提供，并且如果两点之间没有电势差，则不会发生电荷移动，因此就不会有电流流动。没有任何流动或移动的实际电荷称为静电。

如果将电荷的运动称为电流，那么我们可以正确地说电流是电荷的运动速率（或流动速率），但是多少电荷代表了电流。如果我们选择电路中的任意点，然后选择任意一点，并测量恰好在一秒钟内流过该点的电荷量，这将为我们提供以安培（A）为单位的电流强度。

因此，一安培的电流等于一个库仑电荷，该电荷在一个单位秒内流过给定点，并且每秒通过该点的电荷越多，电流就越大。然后，我们可以将一安培（A）电流定义为等于每秒一库仑电荷。所以1A = 1C / s

安培定律

其中：Q是电荷（以库仑为单位），t是电荷移动的时间间隔（以秒为单位）。换句话说，电流既具有幅度（电荷量），又具有与其相关的指定方向。

请注意，电流的常用符号是大写字母“ I ”或小写“ i ”，均代表强度。即产生电子流的电荷强度或浓度。对于恒定的直流电流，通常使用大写字母“ I ”，而对于时变交流电流，通常使用小写字母“ i ”。符号i （t）表示该确切时间点的瞬时电流值。

有时通过使用图像更容易记住这种关系。此处，Q，I和t的三个量已叠加到一个三角形中，表示当前公式中每个量的实际位置。

安培

通过对上述标准公式进行转置，我们可以得到相同方程式的以下组合：

电能示例2

1.如果3分钟内900电量的库仑通过给定点，电路中将流过多少电流。

2. 3安培的电流流过电阻器。90秒内有多少库仑电荷流经电阻。

电能：瓦特

电力是电压和电流这两个量的乘积，因此可以定义为消耗能量的功的速率。前面我们曾说过，电压提供了以焦耳为单位将一库仑电荷从A移动到B所需的功，而电流是电荷的移动速率（或流动速率）。那么这两个定义是如何链接在一起的。

如果电压（V）等于每库仑焦耳（V = J / C）并且安培（I）等于每秒电荷（库仑）（A = Q / t），则可以将电功率（P）定义为总功率这两个数量中的一个。这是因为，电功率也可以等于电压倍安培，即：P = V * I。

瓦特

因此，我们可以看到，电功率也是一秒钟内完成工作的速率。也就是说，一焦耳的能量在一秒钟内消散了。由于电能以瓦特（W）为单位，因此也必须以焦耳/秒为单位。因此我们可以正确地说：1瓦特= 1焦耳每秒（J / s）。

电源1瓦（W）= 1焦耳/秒（J / s）

因此，如果每秒1瓦= 1焦耳，则得出以下结论：在一个单位时间内1焦耳的能量= 1瓦，即：功等于功率乘以时间（V * I * t焦耳）。因此，电能（完成的工作）是通过将功率乘以电荷（以电流形式）流动的时间（秒）获得的。因此，电能的单位取决于用于电力和时间的单位。因此，如果我们以千瓦（kW）为单位测量功率，以小时（h）为单位测量时间，则所消耗的电能等于千瓦*小时（Wh）或简单地为：千瓦时（kWh）。

电能示例3

100瓦灯泡仅点亮一小时。灯已使用了多少焦耳的电能。

请注意，当将焦耳作为电能单位处理时，以千焦耳为单位显示会更方便。因此，答案可以为：360kJ。由于焦耳本身很小，千焦耳（kJ），数千焦耳，兆焦耳（MJ），数百万焦耳，甚至千兆焦耳（GJ），数十亿焦耳，都是千焦耳的实际单位。电能。因此，一千瓦时（kWh）的电力单位等于3.6兆焦耳（MJ）。

同样，由于瓦特是很少的电能，因此通常使用千瓦（1 kW = 1,000瓦）和兆瓦（1 MW = 1百万瓦）来识别电气设备和器具的功率输出。因此，我们可以看到，千瓦（或兆瓦）是电能的单位，而千瓦时是电能的单位。