17.电能与功率
电能与功率
电能为在电路中产生工作或动作所需的功率提供能量，其单位为焦耳每秒（\mathrm{J/s}）。
电能是电路通过产生动作而做功的能力。该动作可以有多种形式，例如热能、电磁能、机械能、电能等。电能既可以由电池、发电机、直流发电机和光伏装置等产生，也可以通过燃料电池、电池、电容器或磁场等存储以备将来使用。因此，电能既可以被产生，也可以被存储。
我们还记得在中学科学课上，能量守恒定律The Law of the Conservation of Energy指出能量既不能被创造也不能被毁灭，只能转换。但为了使能量做任何有用的功，就必须将其从一种形式转换为另一种形式。例如，电动机将电能转换为机械能或动能（旋转能），而发电机则将动能转换回电能以为电路提供动力。
也就是说，电气机械通过做功将能量从一种形式转换为另一种形式。另一个例子是灯、灯泡或 LED（发光二极管），它们将电能转换为光能和热（热能）。因此，电能非常多功能，可轻松转换为多种不同形式的能量。
为了使电能移动电子并在电路中产生电流，必须做功，也就是说，电子必须在导线或导体中移动一定距离。所做的功作为能量储存在电子的流动中。因此，“功”就是我们给予这一能量过程的名称。
因此，我们可以说功和能量实际上是相同的，因为能量可以定义为“做功的能力”。注意，所做的功或传递的能量对于机械系统、热系统和电系统同样适用，这是因为机械能、热能和电能可以相互转换。
电能：电压
Electrical Energy: The Volt
如我们所知，能量是做功的能力，其标准单位为焦耳（\mathrm{J}）。1 焦耳的能量定义为电流 1\mathrm{A} 在电压 1\mathrm{V} 下移动 1\mathrm{s} 所消耗的能量，即
1\\mathrm{J} = 1\\mathrm{A}\times1\\mathrm{V}\times1\\mathrm{s}.
电流是电荷（电子）在电路中移动形成的，但是要将电荷从一个节点移动到另一个节点，就需要一种力来做功移动电荷，这种力就是电压。
我们通常认为电压（\mathrm{V}）存在于电路或电池供电的两个不同端子、点或节点之间。但电压很重要，因为它提供了将电荷从一点移动到另一点所需的功，无论是正方向还是反方向。
电压或由电压源在两个端子或节点之间提供的电势差被定义为 1 伏（\mathrm{V}），当在这两个端子之间移动 1 库仑（\mathrm{C}）的电荷时所使用的能量为 1 焦耳（\mathrm{J}）。
换句话说，两点或两个端子之间的电压差是将 1 库仑电荷从 A 移动到 B 所需的功（以焦耳为单位）。因此，电压可以表示为：
电压单位
The Voltage Unit
1\\mathrm{V} = \frac{1\\mathrm{Joule}}{1\\mathrm{Coulomb}} = \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}
其中：voltage 为电压（单位： \mathrm{V} ）， 焦耳为功或能量（单位： \mathrm{J}），库伦为电荷量（单位： \mathrm{C}）。因此，当 \mathrm{J}=1\mathrm{J}、\mathrm{C}=1\mathrm{C} 时， V=1\mathrm{V}。
电能示例 No.1
某电池在电路中移动 15\mathrm{C} 电荷时消耗 135\mathrm{J} 能量，求该电池的端电压。
由上式可得，每一库仑电荷具有的能量为
\frac{135\\mathrm{J}}{15\\mathrm{C}} = 9\\mathrm{J/C} = 9\\mathrm{V},
即在此示例中，每一库仑电荷具有 9\mathrm{J} 的能量。
电能·安培
Electrical Energy: The Ampere 我们已经知道，电荷的单位是库仑（Coulomb），电荷在电路中流动时就形成了电流。但由于库仑的符号也是大写字母 “C”，容易与电容（Capacitance）的符号 “C” 混淆。
为避免这种混淆，通常用大写字母 “Q” 或小写字母 “q” 来表示电荷，即 quantity（数量）的首字母。因此：
Q = 1\\mathrm{C}.
注意，电荷 Q 可以为正电荷（+Q）或负电荷（-Q），分别表示电子或空穴hole的过量。
电子形式的电荷在闭合电路中的流动称为电流。但“流动”意味着电荷必须移动，那么是什么推动电荷移动？答案是电压。
两个点之间的电压（或电势差）提供了使电荷以电流形式在电路中移动所需的电能。因此，移动电荷所做的功由电势差提供；若两点间无电势差，则无电荷移动，也就无电流流动。静止不动的电荷称为静电。
如果说电荷的移动形成电流，那么我们可以将电流定义为电荷移动的速率。选取电路中任一点，测量恰好在一秒钟内通过该点的电荷量，就可以得到该点的电流强度，单位为安培（Ampere，A）。
因此，1 安培的电流即是 1 库仑的电荷在 1 秒钟内通过某点：
1\\mathrm{A} = 1\\mathrm{C/s}.
安培单位
The Ampere Unit
1\\mathrm{A} = \frac{1\\mathrm{C}}{1\\mathrm{s}} = \frac{Q}{t}
在此处：Q 是电荷量（单位：库仑），t 是电荷移动所用的时间间隔（单位：秒）。换句话说，电流不仅具有大小（通过的电荷量），还具有特定的方向。
通常用大写字母 “I” 或小写 “i” 表示电流，皆表示强度（intensity），即产生电子流动的电荷浓度。对于恒定的直流电流，一般使用大写 “I”；而对于随时间变化的交流电流，则常用小写 “i”，其中i(t)表示时刻 t 的瞬时电流值。
有时可以通过下面的三角形来帮助记忆三者关系：
安培三角形
The Ampere Current Triangle
将上述标准公式进行变换，可得到以下等价的几种形式：
电能示例 No.2
**已知：**电荷量 Q=900 库仑，时间 t=3 分钟 首先将分钟换算为秒：
t = 3\ \text{min} = 3 \times 60\ \mathrm{s} = 180\ \mathrm{s}
电流为
I = \frac{Q}{t} = \frac{900\ \mathrm{C}}{180\ \mathrm{s}} = 5\ \mathrm{A}
**已知：**电流 I=3 安培，时间 t=90 秒 电荷量为
Q = I \times t = 3\ \mathrm{A} \times 90\ \mathrm{s} = 270\ \mathrm{C}
电能·瓦特
Electrical Energy: The Watt
电功率（Electrical Power）是电压与电流的乘积，如欧姆定律所定义。电流可看作能量消耗做功的速率。我们前面已经说过，电压提供了将 1 库仑电荷从 A 点移动到 B 点所需的能量（以焦耳为单位），而电流则是电荷移动的速率（单位时间内的电荷量）。那么，这两种定义如何联系起来呢？
若电压 V 等于焦耳每库仑（V = \tfrac{J}{C}），电流 I 等于库仑每秒（I = \tfrac{Q}{t}），则电功率 P 可以定义为二者的乘积：
P = V \times I.
the Watt
\begin{aligned} V &= \frac{J}{C} \quad \text{and} \quad I = \frac{Q}{t} \[8pt] \text{As:}\quad Q &= 1\\mathrm{C} \[8pt] \text{If:}\quad P &= V \times I = \frac{J}{C} \times \frac{Q}{t} = \frac{J}{C} \times \frac{C}{t} \[8pt] \text{Then:}\quad P &= \frac{J}{C} \times \frac{C}{t} = \frac{J}{t} \end{aligned}
由上述推导可知，电功率也等于每秒所做的功，即每秒消耗的焦耳数。因此，电功率的单位瓦特（Watt，W）必须等同于焦耳每秒（J/s）。
1\\mathrm{W} = 1\\mathrm{J/s}.
电功率公式
Electrical Power Formula
1 watt (W) = 1 joule/second (J/s)
因此，若
1\\mathrm{W} = 1\\mathrm{J/s},
则可推出：
1\\mathrm{J} = 1\\mathrm{W} \times 1\\mathrm{s},
即功等于功率乘以时间，
\text{Work} = V \times I \times t\quad(\mathrm{J}).
因此，电能（所做的功）可由功率乘以电流流过时间（秒）来计算。
由此可见，电能的单位取决于功率和时间所用的单位。如果以千瓦（\mathrm{kW}）为功率单位、以小时（\mathrm{h}）为时间单位，则耗电量为
\mathrm{kW}\times\mathrm{h}\(\mathrm{Wh}),
通常简写为千瓦时（\mathrm{kWh}）。
电能示例 No.3
一个100\mathrm{W}的灯泡仅点亮 1\mathrm{h}。该灯泡消耗了多少焦耳 \mathrm{J}的电能？
\text{电能} \E = Power \times Time = 100\\mathrm{W}\times 3600\\mathrm{s} = 360000\\mathrm{J}.
注意：使用焦耳（J）表示电能时，常以千焦（kJ）为单位，故
E = 360000\\mathrm{J} = 360\\mathrm{kJ}.
由于焦耳数量较小，实用单位还有
1\\mathrm{kJ}=10^3\\mathrm{J},\quad 1\\mathrm{MJ}=10^6\\mathrm{J},\quad 1\\mathrm{GJ}=10^9\\mathrm{J}.
此外，1 个电度（1,kWh）等于
1\\mathrm{kW}\times1\\mathrm{h} =1000\\mathrm{W}\times3600\\mathrm{s} =3.6\times10^6\\mathrm{J} =3.6\\mathrm{MJ}.
同样，瓦特（W）是电功率的单位，常用千瓦（kW）和兆瓦（MW）表示：
1\\mathrm{kW}=10^3\\mathrm{W},\quad 1\\mathrm{MW}=10^6\\mathrm{W}.
因此，千瓦（或兆瓦）是电功率单位，而千瓦时（kWh）是电能单位。
附录
单词表
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