Электрическая мощность: формула, единицы измерения. Активная, реактивная и полная (кажущаяся) мощности
То есть разные виды энергии. В этой статье мы рассмотрим и изучим такое физическое понятия, как мощность электрического тока.
Формулы мощности тока
Под мощностью тока так же, как и в механике, понимают работу, которая выполняется за единицу времени. Рассчитать мощность, зная работу, которую выполняет электрический ток за некоторый промежуток времени, поможет физическая формула.
Ток, напряжение, мощность в электростатике связаны равенством, которое можно вывести из формулы A = UIt . По ней определяют работу, которую выполняет электрический ток:
P = A/t = UIt/t = UI
Таким образом, формула мощности постоянного тока на любом участке цепи выражается как произведение силы тока на напряжение между концами участка.
Единицы измерения мощности
1 Вт (ватт) - мощность тока в 1 А (ампер) в проводнике, между концами которого поддерживается напряжение 1 В (вольт).
Прибор для измерения мощности электрического тока называется ваттметр. Также формула мощности тока позволяет определять мощность с помощью вольтметра и амперметра.
Внесистемная единица мощности - кВт (киловатт), ГВт (гигаватт), мВт (милливатт) и др. С этим связаны и некоторые внесистемные единицы измерения работы, которые часто используют в быту, например (киловатт·час). Поскольку 1кВт = 10 3 Вт, а 1ч = 3600с , то
1кВт· ч = 10 3 Вт·3600с = 3,6·10 6 Вт·с = 3,6·10 6 Дж.
Закон Ома и мощность
Используя закон Ома, формула мощности тока P = UI записывается в таком виде:
P = UI = U 2 /R = I 2 /R
Итак, мощность, выделяемая на проводниках, прямо пропорциональна силе тока, протекающей через проводник, и напряжению на его концах.
Фактическая и номинальная мощность
При измерении мощности в потребителе формула мощности тока позволяет определить ее фактическую величину, то есть ту, которая реально выделяется в данный момент времени на потребителе.
В паспортах различных электрических приборов также отмечают значение мощности. Ее называют номинальной. В паспорте электрического прибора обычно указывают не только номинальную мощность, но и напряжение, на которое он рассчитан. Однако напряжение в сети может немного отличаться от указанного в паспорте, например, увеличиваться. С увеличением напряжения увеличивается и сила тока в сети, а следовательно, и мощность тока в потребителе. То есть значение фактической и номинальной мощности прибора могут отличаться. Максимальная фактическая мощность электрического устройства больше номинальной. Это сделано с целью предотвращения выхода прибора из строя при незначительных изменениях напряжения в сети.
Если цепь состоит из нескольких потребителей, то, рассчитывая их фактическую мощность, следует помнить, что при любом соединении потребителей общая мощность во всей цепи равна сумме мощностей отдельных потребителей.
Коэффициент полезного действия электрического прибора
Как известно, идеальных машин и механизмов не существует (то есть таких, которые бы полностью превращали один вид энергии в другой или генерировали бы энергию). Во время работы устройства обязательно часть затраченной энергии уходит на преодоление нежелательных сил сопротивления или просто «рассеивается» в окружающую среду. Таким образом, только часть затраченной нами энергии уходит на выполнение полезной работы, для выполнения которой и было создано устройство.
Физическая величина, которая показывает, какая часть полезной работы в затраченной, называется коэффициентом полезного действия (далее КПД).
Другими словами, КПД показывает, насколько эффективно используется затраченная работа при ее выполнении, например, электрическим прибором.
КПД (обозначается греческой буквой η ("эта")) - физическая величина, которая характеризует эффективность электрического прибора и показывает, какая часть полезной работы в затраченной.
КПД определяется (как и в механике) по формуле:
η = A П /A З ·100%
Если известна мощность электрического тока, формулы для определения ККД будут выглядеть так:
η = P П /P З ·100%
Прежде чем определять КПД некоторого устройства, необходимо определить, что является полезной работой (для чего создано устройство), и что является затраченной работой (работа выполняется или какая энергия затрачивается для выполнения полезной работы).
Задача
Обычная электрическая лампа имеет мощность 60 Вт и рабочее напряжение 220 В. Какую работу выполняет электрический ток в лампе, и сколько вы платить за электроэнергию в течение месяца, при тарифе Т = 28 рублей, используя лампу 3 часа каждый день?
Какая сила тока в лампе и сопротивление ее спирали в рабочем состоянии?
Решение:
1. Для решения данной проблемы:
а) вычисляем время работы лампы в течение месяца;
б) вычисляем работу силы тока в лампе;
в) вычисляем плату за месяц по тарифу 28 рублей;
г) вычисляем силу тока в лампе;
д) вычисляем сопротивление спирали лампы в рабочем состоянии.
2. Работу силы тока рассчитываем по формуле:
А = Р·t
Силу тока в лампе поможет вычислить формула мощности тока:
Р = UI;
I = P/U.
Сопротивление спирали лампы в рабочем состоянии из закона Ома равно:
[А] = Вт·ч;
[I] = 1В·1А/1В = 1A;
[R] = 1В/1A = 1Ом.
4. Вычисления:
t = 30 дней · 3 ч = 90 ч;
А = 60·90 = 5400 Вт·ч = 5,4 кВт·ч;
I = 60/220 = 0,3 А;
R = 220/0,3 = 733 Ом;
В = 5,4 кВт·ч·28 к / кВт ч = 151 руб.
Ответ: А = 5,4 кВт·ч; I = 0,3 А; R = 733 Ом; В = 151 рубль.
Из письма клиента:
Подскажите, ради Бога, почему мощность ИБП указывается в Вольт-Амперах, а не в привычных для всех киловаттах. Это сильно напрягает. Ведь все уже давно привыкли к киловаттам. Да и мощность всех приборов в основном указана в кВт.
Алексей. 21 июнь 2007
В технических характеристиках любого ИБП указаны полная мощность [кВА] и активная мощность [кВт] – они характеризуют нагрузочную способность ИБП. Пример, см. фотографии ниже:
 |
Мощность не всех приборов указана в Вт, например:
- Мощность трансформаторов указывается в ВА:
http://www.mstator.ru/products/sonstige/powertransf (трансформаторы ТП: см приложение)
http://metz.by/download_files/catalog/transform/tsgl__tszgl__tszglf.pdf (трансформаторы ТСГЛ: см приложение) - Мощность конденсаторов указывается в Варах:
http://www.elcod.spb.ru/catalog/k78-39.pdf (конденсаторы K78-39: см приложение)
http://www.kvar.su/produkciya/25-nizkogo-napraygeniya-vbi (конденсаторы УК: см приложение) - Примеры других нагрузок - см. приложения ниже.
Мощностные характеристики нагрузки можно точно задать одним единственным параметром (активная мощность в Вт) только для случая постоянного тока, так как в цепи постоянного тока существует единственный тип сопротивления – активное сопротивление.
Мощностные характеристики нагрузки для случая переменного тока невозможно точно задать одним единственным параметром, так как в цепи переменного тока существует два разных типа сопротивления – активное и реактивное. Поэтому только два параметра: активная мощность и реактивная мощность точно характеризуют нагрузку.
Принцип действия активного и реактивного сопротивлений совершенно различный. Активное сопротивление – необратимо преобразует электрическую энергию в другие виды энергии (тепловую, световую и т.д.) – примеры: лампа накаливания, электронагреватель (параграф 39, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).
Реактивное сопротивление – попеременно накапливает энергию затем выдаёт её обратно в сеть – примеры: конденсатор, катушка индуктивности (параграф 40,41, Физика 11 класс В.А. Касьянов М.: Дрофа, 2007).
Дальше в любом учебнике по электротехнике Вы можете прочитать, что активная мощность (рассеиваемая на активном сопротивлении) измеряется в ваттах, а реактивная мощность (циркулирующая через реактивное сопротивление) измеряется в варах; так же для характеристики мощности нагрузки используют ещё два параметра: полную мощность и коэффициент мощности. Все эти 4 параметра:
- Активная мощность: обозначение P , единица измерения: Ватт
- Реактивная мощность: обозначение Q , единица измерения: ВАр (Вольт Ампер реактивный)
- Полная мощность: обозначение S , единица измерения: ВА (Вольт Ампер)
- Коэффициент мощности: обозначение k или cosФ , единица измерения: безразмерная величина
Эти параметры связаны соотношениями: S*S=P*P+Q*Q, cosФ=k=P/S
Также cosФ называется коэффициентом мощности (Power Factor – PF )
Поэтому в электротехнике для характеристики мощности задаются любые два из этих параметров так как остальные могут быть найдены из этих двух.
Например, электромоторы, лампы (разрядные) - в тех. данных указаны P[кВт] и cosФ:
http://www.mez.by/dvigatel/air_table2.shtml (двигатели АИР: см. приложение)
http://www.mscom.ru/katalog.php?num=38 (лампы ДРЛ: см. приложение)
(примеры технических данных разных нагрузок см. приложение ниже)
То же самое и с источниками питания. Их мощность (нагрузочная способность) характеризуется одним параметром для источников питания постоянного тока – активная мощность (Вт), и двумя параметрами для ист. питания переменного тока. Обычно этими двумя параметрами являются полная мощность (ВА) и активная (Вт). См. например параметры ДГУ и ИБП.
Большинство офисной и бытовой техники, активные (реактивное сопротивление отсутствует или мало), поэтому их мощность указывается в Ваттах. В этом случае при расчёте нагрузки используется значение мощности ИБП в Ваттах. Если нагрузкой являются компьютеры с блоками питания (БП) без коррекции входного коэффициента мощности (APFC), лазерный принтер, холодильник, кондиционер, электромотор (например погружной насос или мотор в составе станка), люминисцентные балластные лампы и др. – при расчёте используются все вых. данные ибп: кВА, кВт, перегрузочные характеристики и др.
См. учебники по электротехнике, например:
1. Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. - М.: Издательский центр "Академия", 2004.
2. Немцов М. В. Электротехника и электроника. - М.: Издательский центр "Академия", 2007.
3. Частоедов Л. А. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1989.
Так же см. AC power, Power factor, Electrical resistance, Reactance http://en.wikipedia.org
(перевод: http://electron287.narod.ru/pages/page1.html)
Приложение
Пример 1: мощность трансформаторов и автотрансформаторов указывается в ВА (Вольт·Амперах)
http://metz.by/download_files/catalog/transform/tsgl__tszgl__tszglf.pdf (трансформаторы ТСГЛ)
| Однофазные автотрансформаторы |
|
||
| TDGC2-0.5 kVa, 2A | АОСН-2-220-82 | ||
| TDGC2-1.0 kVa, 4A | Латр 1.25 | АОСН-4-220-82 | |
| TDGC2-2.0 kVa, 8A | Латр 2.5 | АОСН-8-220-82 | |
| TDGC2-3.0 kVa, 12A | |||
| TDGC2-4.0 kVa, 16A | |||
| TDGC2-5.0 kVa, 20A | АОСН-20-220 | ||
| TDGC2-7.0 kVa, 28A | |||
| TDGC2-10 kVa, 40A | АОМН-40-220 | ||
| TDGC2-15 kVa, 60A | |||
| TDGC2-20 kVa, 80A | |||
http://www.gstransformers.com/products/voltage-regulators.html (ЛАТР / лабораторные автотрансформаторы TDGC2)
Пример 2: мощность конденсаторов указывается в Варах (Вольт·Амперах реактивных)
 |
http://www.elcod.spb.ru/catalog/k78-39.pdf (конденсаторы K78-39)
 |
http://www.kvar.su/produkciya/25-nizkogo-napraygeniya-vbi (конденсаторы УК)
Пример 3: технические данные электромоторов содержат активную мощность (кВт) и cosФ
Для таких нагрузок как электромоторы, лампы (разрядные), компьютерные блоки питания, комбинированные нагрузки и др. - в технических данных указаны P [кВт] и cosФ (активная мощность и коэффициент мощности) или S [кВА] и cosФ (полная мощность и коэффициент мощности) .
http://www.weiku.com/products/10359463/Stainless_Steel_cutting_machine.html
(комбинированная нагрузка – станок плазменной резки стали / Inverter Plasma cutter LGK160 (IGBT)
http://www.silverstonetek.com.tw/product.php?pid=365&area=en (блок питания ПК)
Дополнение 1
Если нагрузка имеет высокий коэффициент мощности (0.8 ... 1.0), то её свойства приближаются к активной нагрузке. Такая нагрузка является идеальной как для сетевой линии, так и для источников электроэнергии, т.к. не порождает реактивных токов и мощностей в системе.
Поэтому во многих странах приняты стандарты нормирующие коэффициент мощности оборудования.
Дополнение 2
Оборудование однонагрузочное (например, БП ПК) и многосоставное комбинированное (например, фрезерный промышленный станок, имеющий в составе несколько моторов, ПК, освещение и др.) имеют низкие коэффициенты мощности (менее 0.8) внутренних агрегатов (например, выпрямитель БП ПК или электромотор имеют коэффициент мощности 0.6 .. 0.8). Поэтому в настоящее время большинство оборудования имеет входной блок корректора коэффициента мощности. В этом случае входной коэффициент мощности равен 0.9 ... 1.0, что соответствует нормативным стандартам.
Дополнение 3. Важное замечание относительно коэффициента мощности ИБП и стабилизаторов напряжения
Нагрузочная способность ИБП и ДГУ нормирована на стандартную промышленную нагрузку (коэффициент мощности 0.8 с индуктивным характером). Например, ИБП 100 кВА / 80 кВт. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 80 кВт, или смешанную (активно-реактивную) нагрузку максимальной мощности 100 кВА с индуктивным коэффициентом мощности 0.8.
В стабилизаторах напряжения дело обстоит иначе. Для стабилизатора коэффициент мощности нагрузки безразличен. Например, стабилизатор напряжения 100 кВА. Это означает, что устройство может питать активную нагрузку максимальной мощности 100 кВт, или любую другую (чисто активную, чисто реактивную, смешанную) мощностью 100 кВА или 100 кВАр с любым коэффициентом мощности емкостного или индуктивного характера. Обратите внимание, что это справедливо для линейной нагрузки (без высших гармоник тока). При больших гармонических искажениях тока нагрузки (высокий КНИ) выходная мощность стабилизатора снижается.
Дополнение 4
Наглядные примеры чистой активной и чистой реактивных нагрузок:
- К сети переменного тока 220 VAC подключена лампа накаливания 100 Вт – везде в цепи есть ток проводимости (через проводники проводов и вольфрамовый волосок лампы). Характеристики нагрузки (лампы): мощность S=P~=100 ВА=100 Вт, PF=1 => вся электрическая мощность активная, а значит она целиком поглащается в лампе и превращается в мощность тепла и света.
- К сети переменного тока 220 VAC подключен неполярный конденсатор 7 мкФ – в цепи проводов есть ток проводимости, внутри конденсатора идёт ток смещения (через диэлектрик). Характеристики нагрузки (конденсатора): мощность S=Q~=100 ВА=100 ВАр, PF=0 => вся электрическая мощность реактивная, а значит она постоянно циркулирует от источника к нагрузке и обратно, опять к нагрузке и т.д.
Дополнение 5
Для обозначения преобладающего реактивного сопротивления (индуктивного либо ёмкостного) коэффициенту мощности приписывается знак:
+ (плюс) – если суммарное реактивное сопротивление является индуктивным (пример: PF=+0.5). Фаза тока отстаёт от фазы напряжения на угол Ф.
- (минус) – если суммарное реактивное сопротивление является ёмкостным (пример: PF=-0,5). Фаза тока опережает фазу напряжения на угол Ф.
Дополнение 6
Дополнительные вопросы
Вопрос 1:
Почему во всех учебниках электротехники при расчете цепей переменного тока используют мнимые числа / величины (например, реактивная мощность, реактивное сопротивление и др.), которые не существуют в реальности?
Ответ:
Да, все отдельные величины в окружающем мире – действительные. В том числе температура, реактивное сопротивление, и т.д. Использование мнимых (комплексных) чисел – это только математический приём, облегчающий вычисления. В результате вычисления получается обязательно действительное число. Пример: реактивная мощность нагрузки (конденсатора) 20кВАр – это реальный поток энергии, то есть реальные Ватты, циркулирующие в цепи источник–нагрузка. Но что бы отличить эти Ватты от Ваттов, безвозвратно поглащаемых нагрузкой, эти «циркулирующие Ватты» решили называть Вольт·Амперами реактивными .
Замечание:
Раньше в физике использовались только одиночные величины и при расчете все математические величины соответствовали реальным величинам окружающего мира. Например, расстояние равно скорость умножить на время (S=v*t). Затем с развитием физики, то есть по мере изучения более сложных объектов (свет, волны, переменный электрический ток, атом, космос и др.) появилось такое большое количество физических величин, что рассчитывать каждую в отдельности стало невозможно. Это проблема не только ручного вычисления, но и проблема составления программ для ЭВМ. Для решения данное задачи близкие одиночные величины стали объединять в более сложные (включающие 2 и более одиночных величин), подчиняющиеся известным в математике законам преобразования. Так появились скалярные (одиночные) величины (температура и др.), векторные и комплексные сдвоенные (импеданс и др.), векторные строенные (вектор магнитного поля и др.), и более сложные величины – матрицы и тензоры (тензор диэлектрической проницаемости, тензор Риччи и др.). Для упрощения рассчетов в электротехнике используются следующие мнимые (комплексные) сдвоенные величины:
- Полное сопротивление (импеданс) Z=R+iX
- Полная мощность S=P+iQ
- Диэлектрическая проницаемость e=e"+ie"
- Магнитная проницаемость m=m"+im"
- и др.
Вопрос 2:
На странице http://en.wikipedia.org/wiki/Ac_power показаны S P Q Ф на комплексной, то есть мнимой / несуществующей плоскости. Какое отношение это все имеет к реальности?
 |
Ответ:
Проводить расчеты с реальными синусоидами сложно, поэтому для упрощения вычислений используют векторное (комплексное) представление как на рис. выше. Но это не значит, что показанные на рисунке S P Q не имеют отношения к реальности. Реальные величины S P Q могут быть представлены в обычном виде, на основе измерений синусоидальных сигналов осциллографом. Величины S P Q Ф I U в цепи переменного тока «источник-нагрузка» зависят от нагрузки. Ниже показан пример реальных синусоидальных сигналов S P Q и Ф для случая нагрузки состоящей из последовательно соединённых активного и реактивного (индуктивного) сопротивлений.
 |
Вопрос 3:
Обычными токовыми клещами и мультиметром измерен ток нагрузки 10 A, и напряжение на нагрузке 225 В. Перемножаем и получаем мощность нагрузки в Вт: 10 A · 225В = 2250 Вт.
Ответ:
Вы получили (рассчитали) полную мощность нагрузки 2250 ВА. Поэтому ваш ответ будет справедлив только, если ваша нагрузка чисто активная, тогда действительно Вольт·Ампер равен Ватту. Для всех других типов нагрузок (например электромотор) – нет. Для измерения всех характеристик любой произвольной нагрузки необходимо использовать анализатор сети, например APPA137:
 |
См. дополнительную литературу, например:
Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. - М.: Издательский центр "Академия", 2004.
Немцов М. В. Электротехника и электроника. - М.: Издательский центр "Академия", 2007.
Частоедов Л. А. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1989.
AC power, Power factor, Electrical resistance, Reactance
http://en.wikipedia.org (перевод: http://electron287.narod.ru/pages/page1.html)
Теория и расчёт трансформаторов малой мощности Ю.Н.Стародубцев / РадиоСофт Москва 2005 г. / rev d25d5r4feb2013
Мощность. Ватт.
Напряжение измеряют вольтметром (V), а ток через нагрузку (R) - амперметром (A).
Понятно, что получить одну и ту же мощность можно при различных значениях напряжения источника тока. При напряжении источника 1 вольт, для получения мощности в 1 ватт, требуется пропустить через нагрузку ток 1 ампер (1В х 1А = 1Вт). Если же источник выдает напряжение 10 вольт, мощность в 1 ватт достигается при токе 0,1 ампер (10В х 0,1А = 1Вт).
Мощность в физике - это скорость выполнения какой-либо работы.
Чем быстрее выполняется работа, тем больше мощность исполнителя.
Мощная машина разгоняется быстрее. Мощный (сильный) человек способен быстрее затащить мешок картошки на девятый этаж.
1 Ватт - мощность, позволяющая совершить работу в 1 Дж за одну секунду (что такое джоуль описывалось выше).
Если Вы способны разогнать двухкилограммовое тело до скорости 1 м/с за одну секунду, значит, развиваете мощность 1 Вт.
Если Вы поднимаете килограммовый груз на высоту 0,1 метра за секунду, Ваша мощность равна 1 Вт ибо груз приобретает за секунду потенциальную энергию в 1 Дж.
Если уронить с одинаковой высоты одну тарелку на бетонный пол, а вторую на одеяло, первая наверняка разобьется, а вторая выживет. В чем разница? Начальные и конечные условия одинаковые. Тарелки падают с одной и той же высоты, стало быть, обладают одинаковой энергией. На уровне пола обе тарелки останавливаются - вроде все идентично. Разница лишь в том, что энергия, которую тарелка накопила в процессе полета, в первом случае выделяется мгновенно (очень быстро), а когда тарелка падает на одеяло или ковер, процесс торможения растягивается во времени.
Пусть падающая тарелка обладает кинетической энергией в 1Дж. Процесс столкновения с бетонным полом занимает, допустим, 0,001 сек. Получается, что мощность, выделяемая при ударе, равна 1/0,001=1000 Вт!
Если же тарелка плавно замедляется в течение 0,1 сек, мощность будет 1/0,1=10 Вт. Уже есть шанс выжить - если на месте тарелки окажется живой организм.
Для того и существуют зоны деформации и подушки безопасности в автомобилях, чтобы растянуть во времени процесс выделения энергии при аварии, т.е., снизить мощность при ударе. А выделение энергии, между прочим и есть работа. В данном случае, работа по разрыву ваших внутренних органов и ломанию костей.
Вообще, работа - это процесс преобразования одного вида энергии в другой .
Еще пример: можно без последствий сжечь содержимое баллона с пропаном в горелке. Но если смешать газ, содержащийся в баллоне с воздухом и воспламенить, произойдет взрыв .
В обоих случаях выделяется одинаковое количество энергии. Но во втором энергия выделяется за короткий промежуток времени. А мощность - отношение количества работы ко времени, за которое она сделана .
Касаемо электричества, 1 Вт - мощность, выделяемая на нагрузке, когда произведение тока через нее и напряжения на его концах равно единице. То есть, например, если ток через лампу равен 1 А, и напряжение на ее выводах равно 1 В, мощность, выделяемая на ней 1 Вт.
Такая же мощность будет у лампы с током 2 А при напряжении на ней 0,5 В - произведение этих величин тоже равно единице.
Итак:
P = U*I . Мощность равна произведению напряжения и силы тока .
Можем записать иначе:
I = P/U - сила тока равна мощности, деленной на напряжение.
Есть, допустим, лампа накаливания. На ее цоколе указаны параметры: напряжение 220 В, мощность 100 Вт. Мощность 100 Вт означает, что произведение напряжения, прикладываемое к ее выводом, умноженное на ток, протекающий через эту лампу равно ста. U*I=100.
Какой ток через нее будет протекать? Элементарно, Ватсон: I = P/U, делим мощность на напряжение (100/220), получаем 0,454 А. Ток через лампу 0,454 ампер. Или, иначе, 454 миллиампер (милли - тысячная доля).
Еще один вариант записи U = P/I . Тоже где-нибудь пригодится.
Теперь мы вооружены двумя формулами - законом Ома и формулой мощности электрического тока. А это уже инструмент.
Мы хотим узнать сопротивление нити накала той же стоваттной лампы накаливания.
Закон Ома говорит нам: R = U/I.
Можно не высчитывать ток через лампу, чтобы подставить его потом в формулу, а пойти коротким путем: так как I = P/U, подставляем P/U вместо I в формулу R = U/I.
В самом деле, почему бы ток (который нам неизвестен) не заменить напряжением и мощностью лампы, (которые указаны на цоколе).
Итак: R = U/P/U, что равно U^2/P. R = U^2/P. 220 (напряжение) возводим в квадрат и делим на сто (мощность лампы). Получаем сопротивление 484 Ом.
Можно проверить вычисления. Выше мы таки считали ток через лампу - 0,454 А.
R = U/I = 220/0,454 = 484 Ом. Как ни крути, верный вывод один.
Еще раз, формула мощности: P = U*I (1), или I = P/U (2), или U = P/I (3).
Закон Ома: I = U/R (4) или R = U/I (5) или U = I*R (6).
P - мощность
U - напряжение
I - ток
R - сопротивление
В любой из этих формул, вместо неизвестного значения можно подставить известные.
Если в нужно узнать мощность, имея значения напряжения и сопротивления, берем формулу 1, вместо тока I подставляем его эквивалент из формулы 4.
Получается P = U^2/R . Мощность равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление. То есть, при изменении напряжения, приложенного к сопротивлению, выделяемая на нем мощность меняется в квадратичной зависимости : подняли напряжение в два раза, мощность (для резистора - нагрев) увеличилась в четыре раза! Так говорит нам математика.
Понять почему это происходит на практике, поможет опять-таки гидравлическая аналогия. Предмет, находящийся на некоей высоте, обладает потенциальной энергией. И, спускаясь с этой высоты, он может совершить работу. Так совершает работу по выработке энергии вода в гидроэлектростанции, опускаясь через гидротурбину с уровня водохранилища до нижнего бьефа (нижнего уровня).
Потенциальная энергия предмета зависит от его массы и от высоты, на которой он находится (тем больше бед наделает падающий камень чем больше он весит, и с чем большей высоты он падает). Также имеет значение сила тяжести в месте его падения. Один и тот же камень, падающий с одинаковой высоты более опасен на Земле , нежели на Луне, так как на Луне "сила тяжести" (сила, тянущая камень вниз) меньше земной в 6 раз. Итак, у нас три параметра, влияющих на потенциальную энергию - масса, высота и сила тяжести. Именно они и содержатся в формуле кинетической энергии:
Eк = m*g*h,
где m - масса предмета, g - ускорение свободного падения в данном месте ("сила тяжести"), h - высота, на которой находится предмет.
Соберем установку: насос с приводом от двигателя будет качать воду из нижнего резервуара в верхний, а стекающая под действием силы тяжести из верхнего резервуара вода, будет крутить генератор:
Понятно, что чем выше водяной столб, тем большей энергией будет обладать вода. Увеличим высоту столба в два раза. Понятно, что при удвоенной высоте h , вода будет обладать вдвое большей потенциальной энергией, и, вроде бы, мощность генератора должна возрасти вдвое? На самом деле, его мощность увеличится в четыре раза. Почему? Потому что из-за удвоенного давления сверху, поток воды через генератор удвоится. И удвоенный поток воды при удвоенном же давлении, приведет к четырехкратному увеличению мощности, выделяемой на генераторе: в два раза больше, и в два раза сильнее.
То же самое происходит на сопротивлении, при удвоении приложенного к нему напряжения. Мы же помним формулу мощности, выделяемой на резисторе?
P = U*I .
Мощность P равна произведению напряжения U , приложенного к резистору и тока I , протекающего через него. При удвоении приложенного напряжения U , мощность, вроде как должна удвоится. Но ведь повышение напряжения ведет и к пропорциональному росту тока через резистор! Стало быть, удвоится не только U , но и I . Именно поэтому, мощность зависит от приложенного напряжения в квадратичной зависимости.
Батарея с удвоенным напряжением "закачивает" электроны на вдвое большую "высоту", и это приводит точно к такой же картине, как в гидравлическом аналоге.
Нужно узнать мощность, зная сопротивление и ток, но не зная напряжение? Нет проблем. В ту же первую формулу вместо U подставляем эквивалент U из формулы 6. Получаем P = I^2*R . Мощность равна квадрату тока, умноженному на сопротивление.
Приведенный выше гидравлический аналог поможет понять, почему. Удвоение тока через данный резистор возможно только при удвоении приложенного к нему напряжения. А стало быть, формула P = U*I , сработает и тут, несмотря на отсутствие в формуле P = I^2*R напряжения. Просто напряжение в данном случае присутствует "за кадром", прячась за другими переменными.
Еще одна странность данной формулы - мощность прямо пропорциональна сопротивлению. Разве так может быть? Ну давайте тогда вообще разорвем цепь, сопротивление возрастет до бесконечности, а значит, соответственно вырастет мощность, выделяемая на том, чего нет? Бред какой.
На самом деле все просто. Рост сопротивления приведет к соответствующему уменьшению тока через резистор. Если в формуле
P = I^2*R,
сопротивление R увеличить вдвое, то ток I уменьшится вдвое. А зависимость мощности от тока в этой формуле - квадратичная. Стало быть, мощность выделяемая на резисторе ожидаемо упадет в два раза.
Напоминаю:
Напряжение (U ) - это "разность электрического давления" между какими-либо двумя точками электрической цепи (аналог разности давлений жидкости). Единица измерения - вольт .
Ток (I ) - это количество электронов, проходящих через участок цепи (аналог потока жидкости). Единица измерения - ампер . 1 А = 1 Кл/сек.
Сопротивление (R ) - способность участка цепи мешать (сопротивляться) перемещению электронов (как узкое место или засор в трубе). Единица измерения - ом .
Мощность (P ) - это произведение напряжения и тока (как если бы мы умножили расход воды через какой либо участок водопровода на разность давлений на концах этого участка). Единица измерения - ватт .
Определения и формулы
Мощность – это работа, произведенная за единицу времени. Электрическая мощность равна произведению тока на напряжение: P=U∙I. Отсюда можно вывести другие формулы для мощности:
P=r∙I∙I=r∙I^2;
P=U∙U/r=U^2/r.
Единицу измерения мощности получим, подставив в формулу единицы измерения напряжения и тока:
[P]=1 B∙1 A=1 BA.
Единица измерения электрической мощности, равная 1 ВА, называется ватом (Вт). Название вольт-ампер (ВА) используется в технике переменного тока, но только для измерения полной и реактивной мощности.
Единицы измерения электрической и механической мощности связаны следующими соотношениями:
1 Вт =1/9,81 кГ м/сек ≈1/10 кГ м/сек;
1 кГ м/сек =9,81 Вт ≈10 Вт;
1 л.с. =75 кГ м/сек =736 Вт;
1 кВт =102 кГ м/сек =1,36 л.с.
Если не учитывать неизбежных потерь энергии, то двигатель мощностью 1 кВт может перекачивать каждую секунду 102 л воды на высоту 1 м или 10,2 л воды на высоту 10 м.
Электрическая мощность .
Примеры
1. Нагревательный элемент электрической печи на мощность 500 Вт и напряжение 220 В выполнен из проволоки высокого сопротивления. Рассчитать сопротивление элемента и ток, который через него проходит (рис. 1).
Ток найдем по формуле электрической мощности P=U∙I,
откуда I=P/U=(500 Bm)/(220 B)=2,27 A.
Сопротивление рассчитывается по другой формуле мощности: P=U^2/r,
откуда r=U^2/P=(220^2)/500=48400/500=96,8 Ом.
Рис. 1.
2. Какое сопротивление должна иметь спираль (рис. 2) плитки при токе 3 А и мощности 500 Вт?
Рис. 2.
Для этого случая применим другую формулу мощности: P=U∙I=r∙I∙I=r∙I^2;
отсюда r=P/I^2 =500/3^2 =500/9=55,5 Ом.
3. Какая мощность превращается в тепло при сопротивлении r=100 Ом, которое подключено к сети напряжением U=220 В (рис. 3)?
P=U^2/r=220^2/100=48400/100=484 Вт.
Рис. 3.
4. В схеме на рис. 4 амперметр показывает ток I=2 А. Подсчитать сопротивление потребителя и электрическую мощность, расходуемую в сопротивлении r=100 Ом при включении его в сеть напряжением U=220 В.
Рис. 4.
r=U/I=220/2=110 Ом;
P=U∙I=220∙2=440 Вт, или P=U^2/r=220^2/110=48400/110=440 Вт.
5. На лампе указано лишь ее номинальное напряжение 24 В. Для определения остальных данных лампы соберем схему, показанную на рис. 5. Отрегулируем реостатом ток так, чтобы вольтметр, подключенный к зажимам лампы, показывал напряжение Uл=24 В. Амперметр при этом показывает ток I=1,46 А. Какие мощность и сопротивление имеет лампа и какие потери напряжения и мощности возникают на реостате?
Рис. 5.
Мощность лампы P=Uл∙I=24∙1,46=35 Вт.
Ее сопротивление rл=Uл/I=24/1,46=16,4 Ом.
Падение напряжения на реостате Uр=U-Uл=30-24=6 В.
Потери мощности в реостате Pр=Uр∙I=6∙1,46=8,76 Вт.
6. На щитке электрической печи указаны ее номинальные данные (P=10 кВт; U=220 В).
Определить, какое сопротивление представляет собой печь и какой ток проходит через нее при работе P=U∙I=U^2/r;
r=U^2/P=220^2/10000=48400/10000=4,84 Ом; I=P/U=10000/220=45,45 А.
Рис. 6.
7. Каково напряжение U на зажимах генератора, если при токе 110 А его мощность равна 12 кВт (рис. 7)?
Так как P=U∙I, то U=P/I=12000/110=109 В.
Рис. 7.
8. На схеме на рис. 8 показана работа электромагнитной токовой защиты. При определенном токе электромагнит ЭМ, который удерживается пружиной П, притянет якорь, разомкнет контакт К и разорвет цепь тока. В нашем примере токовая защита разрывает токовую цепь при токе I≥2 А. Сколько ламп по 25 Вт может быть одновременно включено при напряжении сети U=220 В, чтобы ограничитель не сработал?
Рис. 8.
Защита срабатывает при I=2 А, т. е. при мощности P=U∙I=220∙2=440 Вт.
Разделив общую мощность одной лампы, получим: 440/25=17,6.
Одновременно могут гореть 17 ламп.
9. Электрическая печь имеет три нагревательных элемента на мощность 500 Вт и напряжение 220 В, соединенных параллельно.
Каковы общее сопротивление, ток и мощность при работе печи (рис.91)?
Общая мощность печи P=3∙500 Вт =1,5 кВт.
Результирующий ток I=P/U=1500/220=6,82 А.
Результирующее сопротивление r=U/I=220/6,82=32,2 Ом.
Ток одного элемента I1=500/220=2,27 А.
Сопротивление одного элемента: r1=220/2,27=96,9 Ом.
Рис. 9.
Рис. 10.
Так как P=U^2/r, то r=U^2/P=48400/75=645,3 Ом.
Ток I=P/U=75/220=0,34 А.
11. Плотина имеет перепад уровней воды h=4 м. Каждую секунду через трубопровод на турбину попадает 51 л воды. Какая механическая мощность превращается в генераторе в электрическую, если не учитывать потерь (рис. 11)?
Рис. 11.
Механическая мощность Pм=Q∙h=51 кГ/сек ∙4 м =204 кГ м/сек.
Отсюда электрическая мощность Pэ=Pм:102=204:102=2 кВт.
12. Какую мощность должен иметь двигатель насоса, перекачивающего каждую секунду 25,5 л воды с глубины 5 м в резервуар, расположенный на высоте З м? Потери не учитываются (рис. 12).
Рис. 12.
Общая высота подъема воды h=5+3=8 м.
Механическая мощность двигателя Pм=Q∙h=25,5∙8=204 кГ м/сек.
Электрическая мощность Pэ=Pм:102=204:102=2 кВт.
13. получает из водохранилища на одну турбину каждую секунду 4 м3 воды. Разница между уровнями воды в водохранилище и турбине h=20 м. Определить мощность одной турбины без учета потерь (рис. 13).
Рис. 13.
Механическая мощность протекающей воды Pм=Q∙h=4∙20=80 т/сек м; Pм=80000 кГ м/сек.
Электрическая мощность одной турбины Pэ=Pм:102=80000:102=784 кВт.
14. У двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены параллельно. Обмотка якоря имеет сопротивление r=0,1 Ом, а ток якоря I=20 А. Обмотка возбуждения имеет сопротивление rв=25 Ом, а ток возбуждения равен Iв=1,2 А. Какая мощность теряется в обеих обмотках двигателя (рис. 14)?
Рис. 14.
Потери мощности в обмотке якоря P=r∙I^2=0,1∙20^2=40 Вт.
Потери мощности в обмотке возбуждения
Pв=rв∙Iв^2=25∙1,2^2=36 Вт.
Общие потери в обмотках двигателя P+Pв=40+36=76 Вт.
15. Электроплитка на напряжение 220 В имеет четыре переключаемые ступени нагрева, что достигается путем различных включений двух нагревательных элементов с сопротивлениями r1 и r2, как это показано на рис. 15.
Рис. 15.
Определить сопротивления r1 и r2, если первый нагревательный элемент имеет мощность 500 Вт, а второй 300 Вт.
Так как мощность, выделяемая в сопротивлении, выражается формулой P=U∙I=U^2/r, то сопротивление первого нагревательного элемента
r1=U^2/P1=220^2/500=48400/500=96,8 Ом,
а второго нагревательного элемента r2=U^2/P2 =220^2/300=48400/300=161,3 Ом.
В положении ступени IV сопротивления соединяются последовательно. Мощность электроплитки в этом положении равна:
P3=U^2/(r1+r2)=220^2/(96,8+161,3)=48400/258,1=187,5 Вт.
В положении ступени I нагревательные элементы соединены параллельно и результирующее сопротивление равно: r=(r1∙r2)/(r1+r2)=(96,8∙161,3)/(96,8+161,3)=60,4 Ом.
Мощность плитки в положении ступени I: P1=U^2/r=48400/60,4=800 Вт.
Эту же мощность получим, сложив мощности отдельных нагревательных элементов.
16. Лампа с вольфрамовой нитью рассчитана на мощность 40 Вт и напряжение 220 В. Какие сопротивление и ток имеет лампа в холодном состоянии и при рабочей температуре 2500 °С?
Мощность лампы P=U∙I=U^2/r.
Отсюда сопротивление нити лампы в горячем состоянии rt=U^2/P=220^2/40=1210 Ом.
Сопротивление холодной нити (при 20 °С) определим по формуле rt=r∙(1+α∙∆t),
откуда r=rt/(1+α∙∆t)=1210/(1+0,004∙(2500-20))=1210/10,92=118 Ом.
Через нить лампы в горячем состоянии проходит ток I=P/U=40/220=0,18 А.
Ток при включении равен: I=U/r=220/118=1,86 А.
При включении ток примерно в 10 раз больше, чем ток горячей лампы.
17. Каковы потери напряжения и мощности в медном контактном проводе электрифицированной железной дороги (рис. 16)?
Рис. 16.
Провод имеет сечение 95 мм2. Двигатель электропоезда потребляет ток 300 А на расстоянии 1,5 км от источника тока.
Потеря (падение) напряжения в линии между точками 1 и 2 Uп=I∙rп.
Сопротивление контактного провода rп=(ρ∙l)/S=0,0178∙1500/95=0,281 Ом.
Падение напряжения в контактном проводе Uп=300∙0,281=84,3 В.
Напряжение Uд на зажимах двигателя Д будет на 84,3 В меньше, чем напряжение U на зажимах источника Г.
Падение напряжения в контактном проводе во время движения электропоезда меняется. Чем дальше электропоезд удаляется от источника тока, тем длиннее линия, а значит, больше ее сопротивление и падение напряжения в ней. Ток по рельсам возвращается к заземленному источнику Г. Сопротивление рельсов и земли практически равно нулю.
Содержание:
Давно известно, что на белом свете существуют Крохи, которые спрашивают своих пап не только о том, что такое хорошо и что такое плохо, но и о чем угодно. Поэтому очень может быть, что Кроха постарше может поинтересоваться, почему на обогревателе написано 2000 W. Умеющие читать Крохи, их папы, да и многие другие читатели, которые подзабыли азы физики, найдут далее информацию, освежающую их память. В частности, напомним, в чем измеряется мощность и как называется единица измерения мощности электричества.
Мощность вокруг нас
Теперь повсюду, где живут люди, есть электроприборы. На каждом из них указана потребляемая мощность. В техническом паспорте или руководстве по эксплуатации встречаются уточняющие слова - электрическая мощность. Это определение воспринимается как-то абстрактно и не жизненно, обезличенно. Ведь если в жизни случаются какие-либо проявления энергии и, соответственно, мощности, для которой чаще используется слово «мощь», всегда понятно, с кем или с чем все это связано.
Например, с гор сошел селевой поток, который всей своей мощью обрушился на такой-то городок. Сразу понятно - селевой поток мощный, обладает разрушительной силой, и понятие мощности связано именно с ним, с его движением, с тем, из чего он состоит. А вот электрическая мощность с кем или с чем связана? Поскольку мы все с детства знаем про опасность электрической розетки, в первую очередь обращаешь внимание на напряжение. И действительно: раз для работы электроприборов необходимо напряжение в розетке, значит, можно сказать, что мощность электричества - это мощность напряжения.
Но если около розетки стоит обогреватель, и его штепсель не в ней, он не дает тепла. Однако напряжение в розетке все же есть. И ничего при этом не происходит. Значит, определение «мощность напряжения» неправильное. Выделение тепла и другие проявления электрической мощности всегда связаны с появлением между точками с различными электрическими потенциалами какого-либо проводника и токовыми процессами в нем. Их интенсивность напрямую связана с выделением тепла и света, которое имеет своим наглядным примером молнию и гром.
Следовательно, электрическая мощность - это мощность тока, а не напряжения. И неспроста в электричество ввели такое определение, как электроток. Несмотря на то, что невозможно увидеть внешний вид электротока, в отличие от потока жидкости, между ними много сходства. Так же, как и у селевого потока, существует сила тока. Но ее природа иная. Эта сила не обладает прямым механическим воздействием. Однако, как демонстрируют разные электрические машины и электроприборы, сила тока способна на многое.
Это «многое» можно обозначить тремя основными результатами, которые дает мощность электрического тока:
- тепло;
- свет;
- электромагнитные поля.
Чтобы выполнять расчеты, а также измерения мощности электрического тока, были приняты единицы измерения мощности тока. Их назвали именем английского физика Джеймса Уатта в 1882 году. Этот ученый занимался изучением процессов, которые связаны с выполнением различных видов работы как физической величины. С тех пор в ходу 1 ватт, который в сокращении обозначается как Вт и W. Если кто-то подзабыл, что к чему относится в физике, напоминаем: мощность равна работе, выполненной за единицу времени.
А чтобы не напрягаться написанием большого числа нулей для больших значений электрической мощности, перед Вт пишут:
- кило, в сокращении кВт - вместо трех нулей;
- мега, соответственно, мВт - вместо шести нулей;
- гига, гВт - вместо девяти нулей.
Такая многоликая мощность…
Во времена Уатта электротехника только начинала свое развитие, и по этой причине физика была заметно проще, чем сегодня. Постоянный электроток был изучен в значительно большей мере, чем переменный. Для вычислений при постоянном электротоке была обоснована формула:
в которой присутствуют мощность p, напряжение u и электроток i. Но существует и переменный электроток. Исследования показали, что мощность p из формулы для постоянного тока не соответствует реальности. На переменном токе проявляются совершенно иные новые свойства мощности тока. Их результат невидим и не ощутим без специальных измерений и приборов. На переменном токе появляется мощность, связанная с созданием электромагнитных полей в катушках индуктивности, а также электростатических полей в конденсаторах.
В этом и была причина несоответствия выражению мощности p=u*i. Пришлось вводить отдельный ее учет на переменном токе. Для нее была принята единица - вар (если сокращенно). По аналогии с постоянным током это означает вольт – ампер реактивный (полное название).
Более подробное изложение относительно переменного тока выходит за рамки текущего повествования. Да и Крохи, скорее всего, будут уже крепко спать примерно на половине нашей статьи. Перегрузка информацией действует как снотворное. Поэтому мощность переменного тока - это уже совсем другая история…
