第3节电路中的功率

[TOC] 除了电压和电流，还有一个与电路相关的重要参数：功率。首先，在分析任何电路之前，我们需要了解什么是功率。功率的英文是power(也有力量、能力、电源、权利的意思)

# 1. 什么是功率，我们如何衡量它？

功率是衡量在给定时间内可以完成多少工作的指标。功通常被定义为克服重力的拉力而举起重物。重量越重和/或举得越高，完成的工作就越多。功率是衡量完成标准工作量的速度的指标。

对于美国汽车，发动机功率以称为“马力”的单位进行额定，最初是蒸汽机制造商根据当时最常见的动力来源：马来量化其机器的工作能力的一种方式。

一马力 (opens new window)以英制单位定义为每秒 550 英尺磅的功。汽车发动机的功率不会表明它可以爬多高或可以牵引多少重量，但它会表明它可以爬到特定山丘或拖曳特定重量的速度。

1英制马力等于550英尺・磅力/秒，等于76千克力・米/秒，即0.746千瓦。

公制马力也叫米制马力，它的规定完全是人为的，它取了一个非常接近英制马力的值。规定1公制马力是在1秒钟内完成75千克力·米的功。即：1公制马力=75千克力·米/秒=735瓦特。

机械发动机的功率是发动机转速及其在输出轴上提供的扭矩的函数。发动机输出轴的速度以每分钟转数或 RPM 为单位测量。

扭矩是发动机产生的扭转力的大小，通常以磅-英尺(pound-feet/lb-ft)为单位（不要与foot-pounds/ft-lbs混淆，后者是工作单位）。速度和扭矩都不能单独衡量发动机的功率。

一台 100 马力的柴油拖拉机发动机会相对缓慢地转动，但会提供很大的扭矩。一台 100 马力的摩托车发动机转动速度非常快，但扭矩相对较小。两者都将产生 100 马力，但速度和扭矩不同。轴马力的公式很简单：

马力公式

请注意方程右侧只有两个变量项 S 和 T。该侧的所有其他项都是常数：2π和 33,000 都是常数（它们的值不变）。马力只随着速度和扭矩的变化而变化，没有别的。我们可以重写方程来显示这种关系：

重写轴马力

因为“马力”的单位与以每分钟转数乘以磅-英尺为单位的，扭矩的速度并不完全一致，所以我们不能说马力等于ST。但是，它们彼此成正比。随着 ST 的数学乘积发生变化，马力的值也会发生相同比例的变化。

在电路中，功率是电压和电流的函数，这种关系与上面的“比例”马力公式有着惊人的相似之处：

PIE

然而，在这种情况下，功率 (P) 恰好等于电流 (I) 乘以电压 (E)，而不仅仅是与 IE 成正比。使用此公式时，功率的测量单位是瓦特，缩写为字母“W”。

必须理解，电压和电流本身都不构成功率。相反，功率是电路中电压和电流的组合。请记住，电压是每单位电荷的特定功（或势能），而电流是电荷通过导体的速率。

电压（比功）类似于在重力作用下举起重物所做的功。电流（速率）类似于举重的速度。作为乘积（乘法），电压（功）和电流（速率）共同构成功率。

就像柴油拖拉机发动机和摩托车发动机的情况一样，高电压和低电流的电路消耗的功率可能与低电压和高电流的电路相同。单独的电压量和单独的电流量都不能表示电路中的电量。

在开路中，电压存在于电源的端子之间并且电流为零，无论电压有多大，耗散的功率都为零。由于 P=IE 和 I=0 并且任何乘以零的东西都为零，因此任何开路中消耗的功率必须为零。

同样，如果我们有一个由超导线环（绝对零电阻）构成的短路⁽¹⁾，我们可能会在回路中出现零电压的电流条件，同样，也不会消耗任何功率。由于 P=IE 和 E=0 并且任何乘以零的东西都为零，因此超导回路中消耗的功率必须为零。（我们将在后面的章节中探讨超导这个话题）。

无论我们以“马力”为单位还是以“瓦特”为单位来衡量功率，我们都在谈论同一件事：在给定的时间内可以完成多少工作。这两个单位在数值上并不相等，但它们表达的是同一种东西。

事实上，欧洲汽车制造商通常以千瓦（kW）或数千瓦来宣传他们的发动机功率，而不是马力！这两个功率单位通过一个简单的转换公式相互关联：

马力瓦特换算

因此，我们的 100 马力柴油和摩托车发动机也可以称为“74570 瓦”发动机，或者更准确地说，可以称为“74.57 千瓦”发动机。在欧洲工程规范中，这个情况将是常态而不是例外。

附注：

(1) 短路，只要是不应该直连的两个器件、模块、设备等直接通过导体连接在一起了，都是短路。

一次校对：向导协作团队 --- 李坤 (opens new window)