ĐỊNH LUẬT WATT: NÓ LÀ GÌ, VÍ DỤ, ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2026

Định luật Watt được áp dụng cho mạch điện và xác định rằng công suất P do một phần tử cung cấp trong mạch, tỉ lệ thuận với tích giữa hiệu điện thế V của mạch và cường độ dòng điện I chạy qua nó.

Công suất điện là một khái niệm rất quan trọng, vì nó cho biết tốc độ biến đổi năng lượng điện thành một số dạng năng lượng khác của một phần tử. Về mặt toán học, định nghĩa đã cho của định luật Watt được biểu thị như sau:

Hình 1. Công suất điện cho biết năng lượng điện được biến đổi nhanh như thế nào. Nguồn: Pixabay

Trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI), đơn vị công suất được gọi là watt và viết tắt là W, để vinh danh James Watt (1736-1819), kỹ sư người Scotland tiên phong trong cuộc cách mạng công nghiệp. Vì công suất là năng lượng trên một đơn vị thời gian, 1 W bằng 1 jun / giây.

Tất cả chúng ta đều quen thuộc với khái niệm công suất điện theo cách này hay cách khác. Ví dụ, các thiết bị điện gia dụng được sử dụng chung luôn được ghi rõ nguồn điện, bao gồm bóng đèn, ổ ghi điện hoặc tủ lạnh, trong số những thiết bị khác.

Định luật Watt và các phần tử mạch

Định luật Watt áp dụng cho các phần tử mạch có hành vi khác nhau. Nó có thể là pin, điện trở hoặc loại khác. Hiệu điện thế V _B - V _A = V _AB được thiết lập giữa các đầu của phần tử và dòng điện chạy từ A đến B, như được chỉ ra trong hình sau:

Hình 2. Một phần tử mạch trong đó hiệu điện thế đã được thiết lập. Nguồn: F. Zapata.

Trong một thời gian rất ngắn dt, một lượng điện tích dq sẽ trôi qua, do đó công việc thực hiện trên nó được cho bởi:

Trường hợp dq liên quan đến dòng điện như:

Vì thế:

Và vì năng lượng là công việc trên một đơn vị thời gian:

-Nếu V _AB > 0, các điện tích đi qua phần tử thu được thế năng. Nguyên tố cung cấp năng lượng từ một số nguồn. Nó có thể là một cục pin.

Hình 3. Nguồn điện do pin cung cấp. Nguồn: F. Zapata.

-Nếu V _AB <0 thì các điện tích mất thế năng. Phần tử tiêu tán năng lượng, chẳng hạn như một điện trở.

Hình 4. Lực cản biến đổi năng lượng thành nhiệt năng. Nguồn: F. Zapata.

Lưu ý rằng công suất do nguồn cung cấp không chỉ phụ thuộc vào hiệu điện thế mà còn phụ thuộc vào cường độ dòng điện. Đây là điều quan trọng để giải thích tại sao ắc quy ô tô lại lớn như vậy, vì chúng hầu như không cung cấp 12V.

Điều xảy ra là động cơ khởi động cần một dòng điện cao, trong một thời gian ngắn, để cung cấp năng lượng cần thiết để khởi động xe.

Định luật Watt và Định luật Ohm

Nếu phần tử mạch là điện trở thì có thể kết hợp định luật Watt và định luật Ôm. Sau đó nói rằng:

Bằng cách thay thế trong định luật Watt dẫn đến:

Một phiên bản tùy thuộc vào điện áp và điện trở cũng có thể nhận được:

Sự kết hợp có thể có giữa bốn đại lượng: công suất P, dòng điện I, điện áp V và điện trở R xuất hiện trên biểu đồ hình 5. Theo dữ liệu của một bài toán, công thức thuận tiện nhất được chọn.

Ví dụ, giả sử rằng trong một bài toán nào đó, bạn được yêu cầu tìm điện trở R, nằm ở phần dưới bên trái của thẻ.

Tùy thuộc vào các đại lượng có giá trị đã biết, một trong ba phương trình liên quan được chọn (màu xanh lá cây). Ví dụ, giả sử rằng V và tôi được biết, sau đó:

Nếu thay vào đó, P và tôi được biết, và kháng cự được yêu cầu, hãy sử dụng:

Cuối cùng, khi biết P và V, điện trở thu được là:

Hình 5. Các công thức của định luật Watt và định luật Ohm. Nguồn: F. Zapata.

Các ứng dụng

Định luật Watt có thể được áp dụng trong mạch điện để tìm công suất điện do phần tử cung cấp hoặc tiêu thụ. Bóng đèn là ví dụ điển hình về việc áp dụng định luật Watt.

ví dụ 1

Một bóng đèn đặc biệt để thu được nhiều ánh sáng trong một, có hai dây tóc bằng vonfram, có điện trở R _A = 48 ohm và R _B = 144 ohm. Chúng được kết nối với ba điểm, ký hiệu là 1, 2 và 3, như trong hình.

Thiết bị được điều khiển bởi các công tắc để chọn các cặp thiết bị đầu cuối và cũng kết nối thiết bị với mạng 120 V. Tìm tất cả các công suất có thể có được.

Hình 6. Sơ đồ cho ví dụ đã làm việc 1. Nguồn. D. Figueroa. Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật.

Giải pháp

- Khi đầu cuối 1 và 2 được kết nối, chỉ có điện trở R _A vẫn được kích hoạt. Vì chúng ta có điện áp là 120 V và giá trị điện trở, các giá trị này được thay thế trực tiếp trong phương trình:

- Nối các cực 2 và 3, điện trở R _B được kích hoạt , có công suất là:

- Các đầu nối 1 và 3 cho phép mắc nối tiếp các điện trở. Điện trở tương đương là:

Như vậy:

- Cuối cùng, khả năng còn lại là mắc song song các điện trở, như sơ đồ d). Điện trở tương đương trong trường hợp này là:

Do đó điện trở tương đương là R _eq = 36 ohm. Với giá trị này, công suất là:

Ví dụ 2

Bên cạnh watt, một đơn vị khác được sử dụng rộng rãi cho công suất là kilowatt (hoặc kilowatt), viết tắt là kW. 1 kW bằng 1000 watt.

Các công ty cung cấp điện cho các hộ gia đình lập hóa đơn về năng lượng tiêu thụ chứ không phải điện năng. Đơn vị họ sử dụng là kilowatt-giờ (kW-h), mặc dù có tên là watt, là một đơn vị cho năng lượng.

a) Giả sử một hộ gia đình tiêu thụ 750 kWh trong một tháng nhất định. Số tiền trong hóa đơn tiền điện của tháng đó sẽ là bao nhiêu? Kế hoạch tiêu thụ sau đây được thực hiện:

- Lãi suất cơ bản: $ 14,00.

- Giá: 16 cents / kWh lên đến 100 kWh mỗi tháng.

- 200 kWh tiếp theo mỗi tháng có giá trị 10 xu / kWh.

- Trên 300 kWh mỗi tháng, tính phí 6 xu / kWh.

b) Tìm chi phí trung bình của năng lượng điện.

Giải pháp cho

- Khách hàng tiêu thụ 750 kW-h mỗi tháng, do đó vượt quá chi phí nêu trong từng giai đoạn. Đối với 100 kWh đầu tiên, giá trị tiền là: 100 kWh x 16 cent / kWh = 1600 cent = $ 16,00

- 200 kWh tiếp theo có giá là: 200 kWh x 10 cent / kWh = 2000 cent = $ 20,00.

- Trên 300 kW-h này, khách hàng tiêu thụ thêm 450 kW-h, tổng cộng là 750 kW-h. Chi phí trong trường hợp này là: 450 kWh x 6 xu / kWh = 2.700 xu = $ 27,00.

- Cuối cùng, tất cả số tiền thu được cộng với lãi suất cơ bản được cộng để có được giá của biên lai cho tháng đó:

Giải pháp b

Chi phí trung bình là: $ 77/750 kWh = $ 0,103 / kW-h = 10,3 cent / kWh.

Người giới thiệu

1. Alexander, C. 2006. Các nguyên tắc cơ bản của mạch điện. lần thứ 3. Phiên bản. Đồi McGraw.
2. Berdahl, E. Giới thiệu về Điện tử. Được khôi phục từ: ccrma.stanford.ed.
3. Boylestad, R. 2011. Giới thiệu về phân tích mạch. Ngày 13. Phiên bản. Lề.
4. Hiệp hội thợ xây dựng lại điện. Định luật Ohm & Máy tính định luật Watt với các ví dụ. Phục hồi từ: electrorebuilders.org
5. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 5. Điện. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).