กฎของวัตต์คืออะไรตัวอย่างการใช้งาน - กายภาพ - 2026

กฎหมายวัตต์ถูกนำไปใช้กับวงจรไฟฟ้าและกำหนดว่าพลังงานไฟฟ้า P จัดทำโดยองค์ประกอบวงจรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลิตภัณฑ์ระหว่างแรงดัน V ของวงจรและ I กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมัน

พลังงานไฟฟ้าเป็นแนวคิดที่สำคัญมากเพราะมันบ่งบอกว่าองค์ประกอบจะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปแบบอื่นได้เร็วเพียงใด ในทางคณิตศาสตร์คำจำกัดความที่กำหนดของกฎของวัตต์จะแสดงดังนี้:

รูปที่ 1. พลังงานไฟฟ้าระบุว่าพลังงานไฟฟ้าถูกเปลี่ยนเร็วเพียงใด ที่มา: Pixabay

ในระบบหน่วยสากล (SI) หน่วยกำลังเรียกว่าวัตต์และย่อว่า W เพื่อเป็นเกียรติแก่เจมส์วัตต์ (1736-1819) วิศวกรชาวสก็อตผู้บุกเบิกการปฏิวัติอุตสาหกรรม เนื่องจากพลังงานคือพลังงานต่อหน่วยเวลา 1 W เท่ากับ 1 จูล / วินาที

เราทุกคนคุ้นเคยกับแนวคิดเรื่องพลังงานไฟฟ้าไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ตัวอย่างเช่นอุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้านที่ใช้งานทั่วไปมักจะมีการระบุกำลังไฟไว้เสมอรวมถึงหลอดไฟเตาไฟฟ้าหรือตู้เย็นเป็นต้น

กฎของวัตต์และองค์ประกอบของวงจร

กฎของวัตต์ใช้กับองค์ประกอบของวงจรที่มีพฤติกรรมต่างกัน อาจเป็นแบตเตอรี่ตัวต้านทานหรืออื่น ๆ ความต่างศักย์ V _B - V _A = V _ABถูกสร้างขึ้นระหว่างปลายขององค์ประกอบและกระแสไหลจาก A ถึง B ดังที่ระบุในรูปต่อไปนี้:

รูปที่ 2. องค์ประกอบวงจรที่สร้างความต่างศักย์ ที่มา: F. Zapata

ในช่วงเวลาสั้น ๆ dt ประจุ dq จำนวนหนึ่งจะผ่านไปเพื่อให้งานที่ทำกับมันถูกกำหนดโดย:

โดยที่ dq เกี่ยวข้องกับกระแสเป็น:

ดังนั้น:

และเนื่องจากกำลังทำงานต่อหน่วยเวลา:

- ถ้า V _AB > 0 ประจุไฟฟ้าที่ผ่านองค์ประกอบจะได้รับพลังงานศักย์ องค์ประกอบให้พลังงานจากแหล่งบางอย่าง อาจเป็นแบตเตอรี่

รูปที่ 3. กำลังไฟจากแบตเตอรี่ ที่มา: F. Zapata

- ถ้า V _AB <0 ประจุจะสูญเสียพลังงานศักย์ องค์ประกอบกระจายพลังงานเช่นตัวต้านทาน

รูปที่ 4. ความต้านทานเปลี่ยนพลังงานเป็นความร้อน ที่มา: F. Zapata

โปรดทราบว่าพลังงานที่จ่ายโดยแหล่งกำเนิดไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าด้วย นี่เป็นสิ่งสำคัญในการอธิบายว่าทำไมแบตเตอรี่รถยนต์จึงมีขนาดใหญ่มากเนื่องจากแทบไม่ต้องจ่ายไฟ 12V เลย

สิ่งที่เกิดขึ้นคือมอเตอร์สตาร์ทต้องการกระแสไฟสูงเป็นเวลาสั้น ๆ เพื่อให้มีกำลังที่จำเป็นในการสตาร์ทรถ

กฎของวัตต์และกฎของโอห์ม

หากองค์ประกอบของวงจรเป็นตัวต้านทานกฎของวัตต์และกฎของโอห์มสามารถรวมกันได้ หลังระบุว่า:

ซึ่งโดยการแทนที่ในกฎของวัตต์นำไปสู่:

ยังสามารถรับรุ่นขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและความต้านทาน:

ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ระหว่างปริมาณทั้งสี่: กำลัง P, กระแส I, แรงดันไฟฟ้า V และความต้านทาน R ปรากฏบนแผนภูมิในรูปที่ 5 ตามข้อมูลที่ให้มาจากปัญหาจะมีการเลือกสูตรที่สะดวกที่สุด

ตัวอย่างเช่นสมมติว่าในปัญหาหนึ่งคุณจะถูกขอให้ค้นหาความต้านทาน R ซึ่งอยู่ในไตรมาสล่างซ้ายของการ์ด

ขึ้นอยู่กับปริมาณที่ทราบค่าหนึ่งในสามสมการที่เกี่ยวข้องจะถูกเลือก (เป็นสีเขียว) ตัวอย่างเช่นสมมติว่า V และฉันรู้จักกันแล้ว:

ถ้ารู้จัก P และ I แทนและขอความต้านทานให้ใช้:

ในที่สุดเมื่อทราบค่า P และ V ความต้านทานจะได้รับโดย:

รูปที่ 5. สูตรสำหรับกฎของวัตต์และกฎของโอห์ม ที่มา: F. Zapata

การประยุกต์ใช้งาน

กฎของวัตต์สามารถนำไปใช้ในวงจรไฟฟ้าเพื่อค้นหาพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายหรือใช้โดยองค์ประกอบ หลอดไฟเป็นตัวอย่างที่ดีในการนำกฎของวัตต์ไปใช้

ตัวอย่าง 1

หลอดไฟพิเศษเพื่อให้ได้ไฟหลายดวงในหนึ่งเดียวมีไส้ทังสเตนสองเส้นซึ่งมีความต้านทานคือ R _A = 48 โอห์มและ R _B = 144 โอห์ม พวกเขาเชื่อมต่อกับสามจุดซึ่งแสดงถึง 1, 2 และ 3 ดังแสดงในรูป

อุปกรณ์ถูกควบคุมโดยสวิตช์เพื่อเลือกคู่ของขั้วและเชื่อมต่อกับเครือข่าย 120 V ค้นหาพลังทั้งหมดที่เป็นไปได้ที่จะได้รับ

รูปที่ 6 โครงร่างสำหรับตัวอย่างที่ใช้งานได้ 1. แหล่งที่มา ง. ฟิเกโรอา ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม.

สารละลาย

- เมื่อเชื่อมต่อขั้ว 1 และ 2 จะมีเพียงตัวต้านทาน R _Aเท่านั้นที่ยังเปิดใช้งานอยู่ เนื่องจากเรามีแรงดันไฟฟ้าซึ่งเป็น 120 V และค่าความต้านทานค่าเหล่านี้จึงถูกแทนที่โดยตรงในสมการ:

- การเชื่อมต่อขั้ว 2 และ 3 ตัวต้านทาน R _Bถูกเปิดใช้งานซึ่งมีกำลังไฟ:

- เทอร์มินัล 1 และ 3 อนุญาตให้เชื่อมต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม ความต้านทานเทียบเท่าคือ:

ดังนั้น:

- สุดท้ายความเป็นไปได้ที่เหลือคือการเชื่อมต่อตัวต้านทานแบบขนานดังแสดงในแผนภาพ d) ความต้านทานที่เท่ากันในกรณีนี้คือ:

ดังนั้นความต้านทานเทียบเท่าคือ R _eq = 36 โอห์ม ด้วยค่านี้พลังคือ:

ตัวอย่าง 2

นอกจากวัตต์แล้วหน่วยอื่นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับพลังงานคือกิโลวัตต์ (หรือกิโลวัตต์) ซึ่งย่อว่ากิโลวัตต์ 1 กิโลวัตต์เท่ากับ 1,000 วัตต์

บริษัท ที่จ่ายไฟฟ้าให้กับบ้านจะเรียกเก็บเงินในแง่ของพลังงานที่ใช้ไม่ใช่พลังงาน หน่วยที่พวกเขาใช้คือกิโลวัตต์ - ชั่วโมง (กิโลวัตต์ - ชั่วโมง) ซึ่งแม้จะมีชื่อของวัตต์ แต่ก็เป็นหน่วยสำหรับพลังงาน

ก) สมมติว่าครัวเรือนหนึ่งใช้พลังงาน 750 กิโลวัตต์ชั่วโมงในเดือนหนึ่ง ๆ ค่าไฟเดือนนั้นจะเป็นเท่าไหร่? ตามแผนการบริโภคต่อไปนี้:

- อัตราฐาน: $ 14.00

- ราคา: 16 เซ็นต์ / กิโลวัตต์ชั่วโมงสูงถึง 100 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อเดือน

- 200 กิโลวัตต์ชั่วโมงถัดไปต่อเดือนมีมูลค่า 10 เซนต์ / กิโลวัตต์ชั่วโมง

- และสูงกว่า 300 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อเดือนจะมีการเรียกเก็บเงิน 6 เซนต์ / กิโลวัตต์ชั่วโมง

b) หาต้นทุนเฉลี่ยของพลังงานไฟฟ้า

วิธีแก้ปัญหา

- ลูกค้าใช้พลังงาน 750 กิโลวัตต์ - ชั่วโมงต่อเดือนดังนั้นจึงเกินค่าใช้จ่ายที่ระบุไว้ในแต่ละขั้นตอน สำหรับ 100 กิโลวัตต์ชั่วโมงแรกมูลค่าเงินคือ 100 กิโลวัตต์ชั่วโมง x 16 เซนต์ / กิโลวัตต์ชั่วโมง = 1600 เซนต์ = 16.00 ดอลลาร์

- 200 kWh ถัดไปมีต้นทุน: 200 kWh x 10 cents / kWh = 2,000 cents = $ 20.00

- เหนือกว่า 300 กิโลวัตต์ - ชั่วโมงลูกค้าจะใช้พลังงานเพิ่มขึ้น 450 กิโลวัตต์ - ชั่วโมงรวมเป็น 750 กิโลวัตต์ - ชั่วโมง ค่าใช้จ่ายในกรณีนี้คือ 450 กิโลวัตต์ชั่วโมง x 6 เซนต์ / กิโลวัตต์ชั่วโมง = 2,700 เซนต์ = 27.00 ดอลลาร์

- สุดท้ายจำนวนเงินทั้งหมดที่ได้รับบวกอัตราฐานจะถูกเพิ่มเพื่อให้ได้ราคาของใบเสร็จรับเงินสำหรับเดือนนั้น:

แนวทางแก้ไข b

ต้นทุนเฉลี่ยอยู่ที่: 77 เหรียญ / 750 กิโลวัตต์ชั่วโมง = 0.103 เหรียญสหรัฐ / กิโลวัตต์ - ชั่วโมง = 10.3 เซนต์ / กิโลวัตต์ชั่วโมง

อ้างอิง

1. Alexander, C. 2006. พื้นฐานของวงจรไฟฟ้า. 3 ฉบับ McGraw Hill
2. Berdahl, E. ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์ สืบค้นจาก: ccrma.stanford.ed.
3. Boylestad, R. 2011. การวิเคราะห์วงจรเบื้องต้น. วันที่ 13 ฉบับ เพียร์สัน
4. สมาคมผู้สร้างไฟฟ้า เครื่องคำนวณกฎของโอห์มและกฎหมายของวัตต์พร้อมตัวอย่าง ดึงมาจาก: electricrebuilders.org
5. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่ม 5. ไฟฟ้า. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)