Связь между вольтами и механической энергией

Я изучаю электротехнику и наткнулся на одно определение вольта, определяемое следующим образом:

В = Дж / С

Где «V» — напряжение, измеряемое в «вольтах», «J» — энергия, измеряемая в «джоулях», а «C» — заряд, измеряемый в «кулонах». Если это определение верно, то батарея на 10 В должна производить 10 джоулей энергии на кулон заряда. Мой вопрос в том, какова связь между вольтами и механической энергией?

Причина, по которой я говорю об этом, заключается в том, что если предположить, что ускорение свободного падения составляет 10 м/с², количество энергии, необходимое для перемещения 1 кг воды на расстояние 1 метр по вертикали, эквивалентно 10 джоулям. Я использовал следующую формулу:

F = m * a = (1 кг) * (10 м/с²) = 10 ньютонов.

W = F * d = (10 Н) * (1 м) = 10 Дж.

Означает ли это, что, используя 10-вольтовую батарею, я смогу создать устройство, способное перемещать 1 кг воды на расстояние 1 метр по воздуху? Я пытаюсь лучше понять отношение вольт как разницу в электрическом потенциале между двумя точками в пространстве и как-то использовать этот потенциал для перемещения объектов с определенной массой на определенное расстояние. Возможно, я смешиваю разные концепции физики. Любое понимание этого будет оценено. Ваше здоровье.

Ваше первое уравнение ЯВЛЯЕТСЯ ответом на вопрос. Нет, 10-вольтовая батарея не может сделать это, если из этой батареи не будет удалено некоторое количество заряда. Найдите коэффициент С.
Вы также можете иметь механический потенциал. Вода, поднятая в воздух на 1 метр, обладает механическим потенциалом. Поскольку он имеет массу 1 кг, его потенциальная энергия составляет около 10 Дж. Если бы он имел массу 5 кг, его потенциальная энергия составляла бы около 50 Дж. Масса и заряд аналогичны.
Возможно, посмотрите на единицу «электрон-вольт», чтобы увидеть, где они связаны друг с другом.
Вы должны быть в состоянии создать устройство, которое делает это , используя 1 кулон заряда от батареи . Вы также можете сделать это с 5-вольтовой батареей, используя 2 кулона, или с 20-вольтовой батареей, используя половину кулона. Хотя к вашему сведению, использование кулонов кажется относительно необычным, в этом случае мы, вероятно, назовем их ампер-секундами (и вычислим необходимое время с точки зрения тока, который может обеспечить батарея).

Ответы (3)

Ну да, энергия есть энергия. Единственная проблема заключается в преобразовании его из одной формы энергии в другую форму энергии.

И вы не можете взять случайную батарею на 10 В. Она должна быть достаточно заряжена, чтобы выполнять работу.

Итак, в идеальном мире вы бы построили какой-то волшебный механизм, который смог бы поднять что-то со 100% эффективностью, если подать на него 10 В. Вы хотите поднять 1 кг на 1 м, поэтому вам нужно примерно 10 Дж.

Сколько заряда вам потребуется? Ну, 1 C, но это не очень полезная мера, которую вы обычно получаете с батареей. В большинстве случаев вы получаете что-то вроде ампер-часов или ватт-часов. 1 Ач равен 3600 Кл (1 А равен 1 Кл в секунду). Таким образом, ваша батарея должна иметь емкость 1/3600 Ач. Или 2,8 мВтч. Это так мало энергии - ваш телефон может проделать эту работу 20000 раз, прежде чем разрядится.

Но ваш телефон работает от 3,6 В - напряжение на самом деле не имеет значения (оно будет в практическом приложении), если вы переформулируете уравнение, вы получите J = V * C, поэтому, если у вас меньшее напряжение, вам просто нужно больше зарядить, чтобы получить ту же энергию.

Проблема в том, что на самом деле у вас будут потери везде, и вы можете получить около 80% эффективности (потери на преобразование, трение в механике) или что-то в этом роде, и поэтому вам потребуется больше энергии для выполнения работы.

Такие устройства существуют — они называются лифтами.

Водяной насос, работающий от трех батарей типа D, может поднять 1 кг воды на высоту 1 метр 3000 раз в соответствии с описанием продукта .
@davidmneedham типичная D-ячейка имеет около 24 Втч, поэтому у вас есть 72 Втч, чтобы получить 3000 Дж, что довольно ужасно. Я имею в виду, что это как 1% эффективности. Однако я интерпретирую описание немного по-другому - он способен перекачивать 200 галлонов в час в течение пяти часов на высоте 40 дюймов (я ненавижу эти устройства). Итак, это 1000 галлонов на высоте 40 дюймов. Это будет 38500 Дж. Получается КПД примерно 15 % - что лучше, у меня нет цифр, которые были бы реалистичны для этого. Я бы предположил больше в 40-х годах, но ладно - это ваши предположения.
Вероятно, было бы неплохо указать на обратное: 1-вольтовая батарея в принципе также могла бы поднять 1 кг воды на 1 м, если бы у нее было достаточно накопленного заряда.
@ThePhoton спасибо, я использовал пример своего телефона, чтобы отразить вашу точку зрения.
батарея на 10 В должна производить 10 джоулей энергии на кулон заряда.

Да. Как вы говорите, это прямо из определения вольта.

какая связь между вольтами и механической энергией?

Вы уже сами на это ответили. Напряжение является мерой того, сколько энергии имеет каждый кулон заряда.

Это не имеет ничего общего с «механической» энергией. Джоуль - это джоуль, будь то кулон при потенциале 1 вольт, ньютон веса, поднятого на 1 метр, или что-то еще.

Означает ли это, что, используя 10-вольтовую батарею, я смогу создать устройство, способное перемещать 1 кг воды на расстояние 1 метр по воздуху?

Если эта батарея может подавать 1 ампер в течение 1 секунды... да. 1 ампер равен 1 кулону в секунду, и вы убрали кулон из своего фактического вопроса, хотя он правильно присутствовал во введении.

Подсоедините его к электродвигателю со 100% КПД и намотайте струну на барабан, чтобы поднять вес. 10 В переводятся на двигатель, работающий с определенной скоростью, а крутящий момент, необходимый для подъема веса, будет потреблять определенный ток (возможно, 1 ампер) от двигателя. Если он потребляет меньше тока (0,5 А), что означает меньшую мощность (5 Вт), поэтому ваша работа с 10 Дж займет больше времени (2 секунды).

Хитрость, конечно, заключается в том, чтобы найти двигатель со 100% КПД. Маленький такой (10 Вт), вероятно, будет в лучшем случае на 50%, до 90% выше диапазона мощности.

Связь между вольтами и механической энергией
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v