Добавить сайт в закладки

Понятие мощности электрического тока

Мощность электрического тока

Прежде чем говорить об электрической мощности, следует определиться с понятием мощности в общем смысле. Обычно, когда люди говорят о мощности, они подразумевают некую силу, которой обладает тот или иной предмет (мощный электродвигатель), либо действие (мощный взрыв).

Но, как мы знаем из школьной физики, сила и мощность - это разные понятия, хотя зависимость у них есть.

Первоначально мощность (N) – это характеристика, относящаяся к определённому событию (действию), а если оно привязано к некоторому предмету, то с ним также условно соотносят понятие мощности. Любое физическое действие подразумевает воздействие силы. Сила (F), с помощью которой был пройден определённый путь (S), будет равняться совершенной работе (А). А работа, проделанная за определённое время (t), и будет приравниваться к мощности.

Мощность - это физическая величина, которая равна отношению совершенной работы, что выполняется за некоторый промежуток времени, к этому же промежутку времени. Поскольку работа является мерой изменения энергии, то ещё можно сказать так: мощность - это скорость преобразования энергии системы.

Разобравшись с понятием механической мощности, можно перейти к рассмотрению электрической мощности (мощность электрического тока). Как вы должны знать,U - это работа, выполняемая при перемещении 1 Кл, а ток I - количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность, или мощность электрического тока.

Анализируя приведённую формулу, можно сделать очень простой вывод: поскольку электрическая мощность P в одинаковой степени зависит от тока I и от напряжения U, то, следовательно, одну и ту же электрическую мощность можно получить либо при большом токе и малом напряжении, или же, наоборот, при большом напряжении и малом токе (это используется при передаче электроэнергии на удалённые расстояния от электростанций к местам потребления путём трансформаторного преобразования на повышающих и понижающих электроподстанциях).

Активная электрическая мощность (это мощность, которая безвозвратно преобразуется в другие виды энергии - тепловую, световую, механическую и т. д.) имеет свою единицу измерения - Вт (Ватт). Она равна произведению 1 В на 1 А. В быту и на производстве мощность удобнее измерять в кВт (киловаттах, 1 кВт = 1000 Вт). На электростанциях уже используются более крупные единицы - мВт (мегаватты, 1 мВт = 1000 кВт = 1 000 000 Вт).

Реактивная электрическая мощность - это величина, которая характеризует такой вид электрической нагрузки, который создаются в устройствах (электрооборудовании) колебаниями энергии (индуктивного и емкостного характера) электромагнитного поля. Для обычного переменного тока она равна произведению рабочего тока I и падению напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними: Q = U×I×sin(угла). Реактивная мощность имеет свою единицу измерения под названием ВАр (вольт-ампер реактивный). Обозначается буквой Q.

Активную и реактивную электрическую мощность на примере можно выразить так: дано электротехническое устройство, которое имеет нагревательные тэны и электродвигатель. Тэны, как правило, сделаны из материала с высоким сопротивлением. При прохождении электрического тока по спирали тэна электрическая энергия полностью преобразуется в тепло. Такой пример характерен активной электрической мощности.

Электродвигатель этого устройства внутри имеет медную обмотку. Она представляет собой индуктивность. А как мы знаем, индуктивность обладает эффектом самоиндукции, а это способствует частичному возврату электроэнергии обратно в сеть. Эта энергия имеет некоторое смещение в значениях тока и напряжения, что вызывает негативное влияние на электросеть (дополнительно перегружая её).

Похожими способностями обладает и ёмкость (конденсаторы). Она способна накапливать заряд и отдавать его обратно. Разница ёмкости и индуктивности заключается в противоположном смещении значений тока и напряжения относительно друг друга. Такая энергия ёмкости и индуктивности (смещённая по фазе относительно значения питающей электросети) и будет, по сути, являться реактивной электрической мощностью.

Современный человек постоянно сталкивается в быту и на производстве с электричеством, пользуется приборами, потребляющими электрический ток и устройствами, вырабатывающими его. При работе с ними всегда надо учитывать их возможности, заложенные в технических характеристиках.

Одним из основных показателей любого электроприбора является такая физическая величина, как электрическая мощность . Ею принято называть интенсивность или скорость генерации, передачи либо преобразования электроэнергии в другие виды энергии, например, тепловую, световую, механическую.

Транспортировка или передача больших электрических мощностей в промышленных целях выполняется по .

Преобразование осуществляется на трансформаторных подстанциях.

Потребление электричества происходит в бытовых и промышленных устройствах различного назначения. Одним из распространенных их видов являются .

Электрическая мощность генераторов, линий электропередач и потребителей в цепях постоянного и переменного тока имеет один и тот же физический смысл, который в то же время выражается различными соотношениями, зависящими от формы составных сигналов. С целью определения общих закономерностей введены понятия мгновенных значений . Они еще раз подчеркивают зависимость скорости преобразований электроэнергии от времени.

Определение мгновенной электрической мощности

В теоретической электротехнике для вывода основных соотношений между током, напряжением и мощностью используются их представления в виде мгновенных величин, которые фиксируются в какой-то определенный временной момент.

Если за очень короткий промежуток времени ∆t единичный элементарный заряд q под действием напряжения U перемещается из точки «1» в точку «2», то он совершает работу, равную разности потенциалов между этими точками. Разделив ее на промежуток времени ∆t, получим выражение мгновенной мощности для единичного заряда Pe(1-2).

Поскольку под действием приложенного напряжения перемещается не только единичный заряд, а все соседние, оказавшиеся под влиянием этой силы, количество которых удобно представить числом Q, то для них можно записать мгновенную величину мощности PQ(1-2).

Выполнив простые преобразования получим выражение мощности Р и зависимость ее мгновенного значения p(t) от составляющих произведения мгновенного тока i(t) и напряжения u(t).

Определение электрической мощности постоянного тока

В величина падения напряжения на участке цепи и протекающего по нему тока не изменяется и остается стабильной, равной мгновенным значениям. Поэтому определить мощность в этой схеме можно перемножением этих величин или делением совершенной работы А на период времени ее выполнения, как показано на поясняющей картинке.

Определение электрической мощности переменного тока

Законы синусоидального изменения токов и напряжений, передаваемых по электрическим сетям, накладывают свое влияние на выражение мощности в таких цепях. Здесь действует полная мощность, которая описывается треугольником мощностей и состоит из активной и реактивной составляющих.

Электрический ток синусоидальный формы при прохождении по линиям электропередач со смешанными видами нагрузок на всех участках не изменяет форму своей гармоники. А падение напряжения на реактивных нагрузках сдвигается по фазе в определенную сторону. Понять влияние приложенных нагрузок на изменение мощности в цепи и ее направление помогают выражения мгновенных величин.

При этом сразу обратите внимание на то, что направление прохождения тока от генератора к потребителю и передаваемой мощности по созданной цепи - это совершенно разные вещи, которые в отдельных случаях могут не только не совпадать, но и направлены в противоположные стороны.

Рассмотрим эти взаимосвязи при их идеальном, чистом проявлении для разных видов нагрузок:

активной;

емкостной;

индуктивной.

Выделение мощности на активной нагрузке

Будем считать, что генератор вырабатывает идеальную синусоиду напряжения u, которая прикладывается к чисто активному сопротивлению цепи. Амперметр А и вольтметр V замеряют ток I и напряжение U в каждый момент времени t.

На графике видно, что синусоиды тока и падения напряжения на активном сопротивлении совпадают по частоте и фазе, совершая одинаковые колебания. Мощность же, выражаемая их произведением, колеблется с удвоенной частотой и всегда остается положительной.

p=u∙i=Um∙sinωt∙Um/R∙sinωt=Um 2 /R∙sin 2 ωt=Um 2 /2R∙(1-cos2ωt).

Если перейти к выражению , то получим: p=P∙(1-cos2ωt).

Далее проинтегрируем мощность за период одного колебания Т и сможем заметить, что приращение энергии ∆W за этот промежуток увеличивается. С дальнейшим течением времени активное сопротивление продолжает потреблять новые порции электроэнергии, как показано на графике.

На реактивных нагрузках характеристики потребляемой мощности отличаются, имеют другой вид.

Выделение мощности на емкостной нагрузке

В схеме питания генератора заменим резистивный элемент конденсатором с емкостью С.

Соотношения между током и падением напряжения на емкости выражаются зависимостью: I=C∙dU/dt=ω∙C ∙Um∙cosωt.

Перемножим значения мгновенных выражений тока с напряжением и получим значение мощности, которая потребляется емкостной нагрузкой.

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙Um∙cosωt=ω∙C ∙Um 2 ∙sinωt∙cosωt=Um 2 /(2X c)∙sin2ωt=U 2 /(2X c)∙sin2ωt.

Здесь видно, что мощность совершает колебания относительно нуля с удвоенной частотой приложенного напряжения. Суммарное ее значение за период гармоники, как и приращение энергии, равно нулю.

Это означает, что энергия перемещается по замкнутому контуру цепи в обе стороны, но никакой работы не совершает. Подобный факт объясняется тем, что при нарастании напряжения источника по абсолютной величине мощность положительна, а поток энергии по цепи направляется в емкость, где происходит накопление энергии.

После того как напряжение переходит на падающий участок гармоники, из емкости начинается возврат энергии в контур к источнику. В обоих этих процессах полезная работа не совершается.

Выделение мощности на индуктивной нагрузке

Теперь в схеме питания заменим конденсатор индуктивностью L.

Здесь ток через индуктивность выражается соотношением:

I=1/L∫udt=-Um/ωL∙cos ωt.

Тогда получим

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙(-Um/ωL∙cosωt)=-Um 2 /ωL∙sinωt∙cosωt=-Um 2 /(2X L)∙sin2ωt=-U 2 /(2X L)∙sin2ωt.

Полученные выражения позволяют увидеть характер изменения направления мощности и приращения энергии на индуктивности, которые совершают такие же бесполезные для выполнения работы колебания, как и на емкости.

Выделяемую на реактивных нагрузках мощность называют реактивной составляющей. Она в идеальных условиях, когда у соединительных проводов нет активного сопротивления, кажется безобидной и не создает никакого вреда. Но в условиях реального электроснабжения периодические прохождения и колебания реактивной мощности вызывают нагрев всех активных элементов, включая соединительные провода, на который затрачивается определенная энергия и снижается величина приложенной полной мощности источника.

Основное отличие реактивной составляющей мощности состоит в том, что она вообще не совершает полезной работы, а ведет к потерям электрической энергии и превышению нагрузок оборудования, особенно опасных в критических ситуациях.

По этим причинам для устранения влияния реактивной мощности используются специальные .

Выделение мощности на смешанной нагрузке

В качестве примера используем нагрузку на генератор с активно емкостной характеристикой.

На приведенном графике не показаны для упрощения картины синусоиды токов и напряжений, но следует учесть, что при активно-емкостном характере нагрузки вектор тока опережает напряжение.

p=u∙i=Um∙sinωt∙ωC ∙Im∙sin(ωt+φ).

После преобразований получим: p=P∙(1- cos 2ωt)+Q ∙sin2ωt.

Эти два слагаемые в последнем выражении являются активной и реактивной составляющими мгновенной полной мощности. Только первая из них совершает полезную работу.

Приборы измерения мощности

Для анализа потребления электроэнергии и расчета за нее используются приборы учета, которые давно получили название . Их работа основана на измерении действующих величин тока и напряжения и автоматическом перемножении их с выводом информации.

Счетчики отображают потребляемую мощность с учетом времени работы электроприборов по нарастающему принципу от момента включения электросчетчика под нагрузку.

Для замера в цепях переменного тока активной составляющей мощности используются , а реактивной - варметры. Они имеют разные обозначения единиц измерения:

ватт (Вт, W);

вар (Вар, вар, var).

Чтобы определить полную мощность потребления, необходимо по формуле треугольника мощностей вычислить ее величину на основе показаний ваттметра и варметра. Она выражается в своих единицах - вольт-амперах.

Принятые обозначения единиц каждой помогают электрикам судить не только о ее величине, но и о характере составляющей мощности.

Мощность является физической величиной, равной, как правило, скоростью изменения энергии целой системы. Если говорить более конкретно о том, чему равна мощность, то можно сказать, что она напрямую зависит от соотношения выполненной за определенный срок времени работы и размера этого самого промежутка времени. Существует понятие средней и мгновенной мощности. То есть, если речь идет о мощности системы в некотором промежутке времени, то это - средняя мощность. Если же рассматривается мощность на данный момент, то это - мгновенная мощность. Отсюда получаем следующую формулу:

N (мощность) = Е (энергия)/ t (время)

Следовательно, интеграл, полученный из показателей мгновенной мощности за отдельный срок времени равен полному объему использованной в течение данного периода времени энергии.

В качестве единицы измерения данной величины принято использовать ватт. Учитывая предыдущую формулу можно сказать, что 1 Ватт = 1 Дж / 1 с. Еще одной популярной единицей для измерения величины мощности считается лошадиная сила.

Что такое мощность в механике?

Сила, действующая на тело, находящееся в движении, выполняет работу. В таком случае, мощность определяется скалярным произведением вектора силы и вектора скорости, с которой система движется в пространстве. То есть:

N = F*v = F*v*cos a

В данной формуле F - это сила, v - это скорость, a - это угол связывающий вектор скорости и вектор силы.

Если речь идет о вращательном движении тела, то уместна следующая формула:

N = M * w = (2П * М * n) / 60

В данной формуле M - это момент силы, w - это угловая скорость, П - это число Пи, а n - это количество оборотов в установленную единицу времени (в минуту).

От чего зависит мощность электрической энергии?

Термин электрической мощности характеризует скорость изменения или передачи электрической энергии. Изучая сеть переменного тока, кроме понятия "мгновенная мощность", которое соответствует традиционно физическому определению, принято использовать и активную мощность. Активная мощность равна среднему показателю мгновенной мощности за период времени, показателю, которым определяется реактивная мощность, соответствующая энергии, перемещающейся между источником и потребителем без диссипации и полному значению мощности, которое определяется произведением активного значения тока и напряжения, не учитывая сдвиг фаз.

Что такое сила и мощность? В чем измеряется данный показатель, какие при этом используются приборы, и как названные применяются на практике, мы рассмотрим далее в статье.

Сила

В мире все тела физической природы начинают движение благодаря силе. При ее воздействии, с попутным или противоположным направлением движения тела, совершается работа. Таким образом, на тело воздействует какая-либо сила.

Так, велосипед трогается с места благодаря силе ног человека, а на поезд действует сила тяги электровоза. Подобное воздействие случается при любом движении. Работа силы - это величина, в которой умножается модуль силы, модуль перемещения точки ее приложения и косинус угла между векторами этих показателей. Формула в этом случае выглядит следующим образом:

A = F · s · cos (F, s)

Если угол между этими векторами не равен нулю, то работа производится всегда. При этом она может иметь как положительное, так и отрицательное значение. На тело не будет действовать сила при угле, равном 90°.

Рассмотрим для примера телегу, которую тянет мускульная сила лошади. Другими словами, работу совершает сила тяги в направлении движения телеги. А вот направленная вниз или перпендикулярно, работы не совершает (кстати, лошадиные силы — это то, в чем измеряется мощность двигателя).

Работа силы является скалярной величиной и измеряется в джоулях. Она может быть:

• равнодействующей (при воздействии нескольких сил);
• непостоянной (тогда вычисление производится с интегралом).

Мощность

В чем измеряется эта величина? Для начала разберем, что она из себя представляет. Понятно, что движение тело начинает за счет силы, совершающей Однако на практике, помимо этого, необходимо знать, как именно она совершается.

Работа может быть завершена в разные сроки. Например, одно и то же действие может совершить маленький моторчик или большой электрический двигатель. Вопрос только в том, за какое время оно будет произведено. Величина, отвечающая за такую задачу, — это мощность. В чем измеряется она, становится понятным из определения - это отношение работы за конкретное время к его величине:

Путем логических действий приходим к следующей формуле:

то есть произведение векторов силы на скорость движения - и есть мощность. В чем измеряется она? По международной системе СИ, единицей измерения данной величины является 1 Ватт.

Ватт и другие единицы измерения мощности

Ватт означает мощность, где за одну секунду производится работа в один джоуль. Последнюю единицу назвали так в честь англичанина Дж.Уатта, который изобрел и соорудил первую паровую машину. Но он при этом использовал другую величину - лошадиную силу, каковая применяется и по сей день. приблизительно равна 735,5 Ватт.

Таким образом, кроме Ватта, мощность измеряют в метрической лошадиной силе. А при очень малом значении также используют Эрг, равный десяти в минус седьмой степени Ватт. Возможно и измерение в одной единице массы/силы/метров в секунду, что равно 9,81 Ватт.

Мощность в двигателе

Названная величина является одной из самых важных в любом моторе, который бывает самой разной мощности. Например, электрическая бритва имеет сотые доли киловатта, а ракета космического корабля насчитывает миллионы.

Для разной нагрузки необходима различная мощность для сохранения определенной скорости. Например, машина станет тяжелее, если в нее поместить больше груза. Тогда о дорогу увеличится. Поэтому, чтобы поддерживать ту же скорость, что и в ненагруженном состоянии, потребуется большая мощность. Соответственно, мотор будет съедать больше топлива. Об этом факте известно всем водителям.

Но при большой скорости важна и инерция машины, которая прямо пропорциональна ее массе. Бывалые водители, знающие об этом факте, находят при езде лучшее сочетание топлива и скорости, чтобы бензина уходило меньше.

Мощность тока

В чем измеряется мощность тока? В той же самой единице по системе СИ. Она может быть измерена прямым или косвенным методом.

Первый способ реализуется при помощи ваттметра, потребляющего существенную энергию и сильно нагружающего источник тока. С его помощью измеряется от десяти Ватт и более. Косвенный метод используют при необходимости измерить малые значения. Приборами для этого служат амперметр и вольтметр, подсоединенные к потребителю. Формула в данном случае будет иметь такой вид:

При известном сопротивлении нагрузки, измеряем протекающую через нее величину тока и находим мощность так:

P = I 2 ∙ R н.

По формуле P = I 2 /R н также может быть вычеслена мощность тока.

В чем измеряется она в сети трехфазного тока, тоже не секрет. Для этого применяют уже знакомый прибор - ваттметр. Причем решить задачу, чем измеряется можно с помощью одного, двух или даже трех приборов. Например, для четырехпроводной установки потребуется три устройства. А для трехпроводной при несимметричной нагрузке — два.

Различные машины и механизмы, выполняющие одинаковую работу, могут отличаться мощностью. Мощность характеризует быстроту совершения работы. Очевидно, что чем меньшее время требуется для выполнения данной работы, тем эффективнее работает машина, механизм и др.

При движении любого тела на него в общем случае действует несколько сил. Каждая сила совершает работу, и, следовательно, для каждой силы мы можем вычислить мощность.

Средняя мощность силы - скалярная физическая величина Ν , равная отношению работы А , совершаемой силой, к промежутку времени Δt , в течение которого она совершается:

\(~N = \frac{A}{\Delta t}.\)

В СИ единицей мощности является ватт (Вт).

Если тело движется прямолинейно и на него действует постоянная сила, то она совершает работу \(~A = F \Delta r \cos \alpha\). Поэтому мощность этой силы

\(~N = \frac{F \Delta r \cos \alpha}{\Delta t} = F \upsilon \cos \alpha = F_{\upsilon} \cdot \upsilon.\)

где F υ - проекция силы на направление движения.

По этой формуле можно рассчитывать и среднюю, и мгновенную мощности, подставляя значения средней \(~\mathcal h \upsilon \mathcal i\) или мгновенной υ скорости.

Мгновенная мощность - это мощность силы в данный момент времени.

\(~N_m = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{A}{\Delta t} = A" .\)

Любой двигатель или механизм предназначены для выполнения определенной механической работы, которую называют полезной работой A p . Но любой машине приходится совершать большую работу, так как вследствие действия сил трения часть подводимой к машине энергии не может быть преобразована в механическую работу. Поэтому эффективность работы машины характеризуют коэффициентом полезного действия η (КПД).

Коэффициент полезного действия η - это отношение полезной работы A p , совершенной машиной, ко всей затраченной работе A z (подведенной энергии W ):

\(~\eta = \frac{A_p}{A_z} = \frac{A_p}{W} = \frac{N_p}{N_z},\)

где N p , N z - полезная и затраченная мощности соответственно. КПД обычно выражают в процентах.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 63-64.