Мощность электрического тока: особенности, формулы расчета

Что такое мощность в электричестве

Механическая мощность как физическая величина равна отношению выполненной работы к некоторому промежутку времени. Поскольку понятие работы определяется количеством затраченной энергии, то и мощность допустимо представить как скорость преобразования энергий. Разобрав составляющие механической мощности, рассмотрим из чего складывается электрическая. Напряжение — выполняемая работа по перемещению одного кулона электрического заряда, а ток — количество проходящих кулонов за одну секунду. Произведение напряжения на ток показывает полный объем работы, выполненной за одну секунду.

Мощность электрического тока – количественная мера тока, характеризующая его энергетические свойства. Определяется основными параметрами – силой тока и напряжением. Измеряется мощность электрического тока прибором, который называется Ваттметр. Единица измерения — Ватт (Вт).

Проанализировав полученную формулу, можно заключить, что силовой показатель зависит одинаково от тока и напряжения. То есть, одно и тоже значение возможно получить при низком напряжении и большом тока, или при высоком напряжении и низком токе. Пользуясь зависимостью мощности от напряжения и силы тока, инженеры научились передавать электричество на большие расстояния путем преобразования энергии на понижающих и повышающих трансформаторных подстанциях.

Наука подразделяет электрическую мощность на:

• активную. Подразумевает преобразование мощности в тепловую, механическую и другие виды энергии. Показатель выражают в Ваттах и вычисляют по формуле U*I;
• реактивную. Эта величина характеризует электрические нагрузки, создаваемые в устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Показатель выражается как вольт-ампер реактивный и представляет собой произведение напряжения на силу тука и угол сдвига.

Для простоты понимания смысла активной и реактивной мощности, обратимся к нагревательному оборудованию, где электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Материал в тему: что такое электрическая цепь.

Как измерить мощность

Знать силовые характеристики бытового оборудования необходимо всегда. Это требуется для расчета сечения проводки, учета расхода электроэнергии или электрификации дома. До начала монтажных работ такую информацию можно получить только путем сложения показателей мощности каждого отдельного устройства, добавив 10% запаса.

Будет интересно➡  Что такое электродвижущая сила (ЭДС) и как ее рассчитать

Определить потребляемую нагрузку дома поможет счетчик. Прибор показывает сколько киловатт было потрачено за один час работы оборудования. И для того чтобы убедиться в правильности показаний, владелец квартиры может проверить точность устройства с помощью электронных средств измерения. Сюда относится амперметр, вольтметр или мультиметр.

Также существуют ваттметры и варметры, которые показывают результаты измерений в ваттах. Во время снятия показания включенной оставить только активную нагрузку как лампочки и нагреватели. Далее померить токовое напряжение. В конце сверить показания счетчика с полученным результатом вычислений.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Постоянный ток через конденсатор не идет, но заряд на нем накапливается, и напряжение между обкладками поддерживается. Напряжение на конденсаторе такое же, как на параллельном ему участке цепи.

Ток не проходит через те резисторы, что соединены с конденсатором последовательно. При расчете электрической цепи их сопротивления не учитывают.

Закон Джоуля–Ленца

Предположим, что на рассматриваемом участке цепи не совершается механическая работа и не протекают химические реакции. Поскольку сила тока постоянна, работа поля не вызывает увеличение кинетической энергии свободных зарядов. Стало быть, работа поля
целиком превращается в тепло
, которое выделяется на данном участке цепи и рассеивается в окружающее пространство:
.

Таким образом, для количества теплоты, выделяющегося на данном участке цепи, мы получаем формулы:

(7)

(8)

(9)

Но часто бывает так, что не вся работа тока превращается в тепло. Например, за счёт работы тока может совершать механическую работу электродвигатель или заряжаться аккумулятор. Тепло, разумеется, будет выделяться и в этих случаях, но только на сей раз получится, что
(на величину механической работы, совершённой двигателем, или химической энергии, запасённой аккумулятором).

Оказывается, что в подобных случаях остаётся справедливой формула (8):
. Это — экспериментально установленный закон Джоуля-Ленца.

Поделиться страницей

Мощность переменного тока.

Пусть у нас ток и напряжение изменяются по следующим законам:

i(t) = I_mmedspace sin(wtmedspace-medspace beta)u(t) = U_mmedspace sin(wt)

Мы приняли, что ток и напряжение сдвинуты по фазе на величину beta.

Мгновенная мощность (мощность переменного тока в любой момент времени) будет равна:

p(t) = u(t)medspace i(t) = U_mmedspace sin(wt) cdot I_mmedspace sin(wtmedspace-medspace beta)

Преобразуем формулу в соответствии с тригонометрической формулой произведения синусов:

p(t) = U_mmedspace sin(wt)medspace I_mmedspace sin(wtmedspace-medspace beta) = frac{1}{2}medspace U_mmedspace I_mmedspace (cosbetamedspace-medspace cos(2wtmedspace-medspace beta)) = \frac{1}{2}medspace U_mmedspace I_mmedspace cosbetamedspace-medspace frac{1}{2}medspace U_mmedspace I_mmedspace cos(2wtmedspace-medspace beta)

Вот так будут выглядеть зависимости тока, напряжения и мощности переменного тока от времени:

На самом деле практический интерес представляет не мгновенное значение мощности (которое постоянно меняется), а среднее. Для среднего значения мощности переменного тока за период запишем следующее выражение:

P =frac{1}{T}medspaceint_0^Tp(t),mathrm{d}t

Не буду особо нагружать математическими выкладками, давайте просто обратим внимание на то, что в формуле мгновенной мощности второе слагаемое (-U_mmedspace I_mmedspace cos(2wtmedspace-medspace beta)) при интегрировании (суммировании) будет равно нулю. Это связано с тем, что если мы рассматриваем конкретный период, то значение косинуса в течение одного полу-периода сигнала будет иметь положительную величину, а в течение другого – отрицательное). Поэтому в финальной формуле средней мощности переменного тока останется только интеграл от первого слагаемого:

P = frac{1}{T} cdotmedspace frac{1}{2}medspace I_mmedspace U_mmedspace cosbeta T = frac{1}{2}medspace I_mmedspace U_mmedspace cosbeta

Вот мы и получили выражение для вычисления средней за период мощности в цепи переменного тока (ее также называют активной мощностью)!

Если сдвиг фаз между током и напряжением будет равен нулю, то значение средней мощности будет максимальным (поскольку cos 0 = 1). В случае сдвига фаз часть мощности передается в нагрузку (активная мощность), а часть нет (реактивная мощность). Реактивная мощность характеризует энергию, которая переходит от источника к реактивным элементам цепи, а затем возвращается этими элементами обратно в источник в течение одного периода. Из формулы понятно, что чем больше cosbeta, тем больше мощности попадет непосредственно в нагрузку, поэтому величину cosbeta называют коэффициентом мощности. Активную мощность мы определили ранее, а вот для реактивной мощности справедлива немного другая формула:

Q = frac{1}{2}medspace I_mmedspace U_mmedspace sinbeta

Ну а полная мощность переменного тока равна:

S = sqrt{(P^2 + Q^2)}

На сегодня на этом все, мы разобрались с понятиями работы и мощности электрического тока, до скорых встреч на нашем сайте!

• Основы электроники. Учебный курс — от…
  
• Цепи переменного тока. Определение и…
• Ток, напряжение, сопротивление. Закон Ома.
  
• Основы электроники. Ток, напряжение,…
  

Навигация записи Проблема с регистрацией на сайте. Закон Джоуля-Ленца. Плавкий предохранитель. ПодписатьсяСоединить сЯ разрешаю создать мне учетную записьКогда вы первый раз заходите с помощью соцсетей, мы получаем публичную информацию из вашей учетной записи, предоставляемой провайдером услуги соцсети в рамках ваших настроек конфиденциальности. Мы также автоматически получаем ваш e-mail адрес для создания вашей учетной записи на нашем веб сайте. Когда она будет создана, вы будете авторизованы под этой учетной записью.Не согласенСогласенУведомление о новые последующие комментарииновые ответы на мои комментарии
Label
<текстареа id="wc-текстареа-0_0" required="" name="wc_comment" class="wc_comment wpd-field"> {}[+]Имя*Email*Веб-сайтЯ разрешаю создать мне учетную записьКогда вы первый раз заходите с помощью соцсетей, мы получаем публичную информацию из вашей учетной записи, предоставляемой провайдером услуги соцсети в рамках ваших настроек конфиденциальности. Мы также автоматически получаем ваш e-mail адрес для создания вашей учетной записи на нашем веб сайте. Когда она будет создана, вы будете авторизованы под этой учетной записью.Не согласенСогласен
Label
<текстареа id="wc-текстареа-wpdiscuzuniqueid" required="" name="wc_comment" class="wc_comment wpd-field"> {}[+]Имя*Email*Веб-сайт2 комментариев старееновеебольшинство голосов Inline FeedbacksView all comments
Сергей

3 лет назад

Здравствуйте!
1) За излучение и нагрев отвечает все-таки активная мощность.
2) Почему Вы интегрируете за период, а усредняете за 2 периода?

1Ответить

Aveal
Автор
Reply to 

Сергей

3 лет назад

Отредактировал, большое спасибо за замечания!

0ОтветитьПоиск:

Закон Джоуля-Ленца

В случае, когда на участке цепи не совершается механическая работа, и ток не производит химических действий, происходит только нагревание проводника. Нагретый проводник отдает теплоту окружающим телам.

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818—1889) и русским Э.Х. Ленцем (1804—1865). Закон Джоуля—Ленца сформулирован следующим образом:

Закон Джоуля—Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

Q=I2RΔt

Количество теплоты измеряется в Джоулях (Дж).

Пример №2. Определить, какое количество теплоты было выделено за 2 минуты проводником при напряжении 12 В и сопротивлении 2 Ом.

Используем закон Ома и закон Джоуля—Ленца:

Q=I2RΔt=(UR..)2Δt=U2R..Δt=1222..=72 (Дж)

Мощность электрического тока расчет и формулы

Для вычисления мощности тока в ваттах, силу тока в амперах умножаем на напряжение в вольтах. Обозначить мощность электрического тока латинским символом P, то приведенное выше правило можно записать в виде математической формулы P = I × U (1).

Воспользуемся этой формулой на практике. Необходимо вычислить, какая мощность электрического тока требуется для накала нити лампы, если напряжение накала равно 4 в, а ток накала 75 мА. Р= 0,075 А × 4 В = 0,3 Вт Мощность электрического тока можно определить и другим способом. Например, нам известны сила тока и сопротивление цепи, а напряжение величина неизвестная, тогда мы воспользуемся соотношением из закона Ома: U=I × R Подставим правую часть формулы (1) IR вместо напряжения U. P = I× U = I×IR или Р = I2×R.

Рассмотрим пример расчета: какая мощность теряется в реостате сопротивлением в 5 Ом, если через него идет ток, силой 0,5 А. Пользуясь формулой (2), вычислим:. P= I2 × R = 0,52×5 =0,25×5 = 1,25 Вт. Кроме того, мощность электрического тока можно рассчитать если известны напряжение и сопротивление, а сила тока величина неизвестна.

Для этого вместо силы тока I в формулу подставляется отношение U/R и тогда формула приобретает следующий вид: Р = I × U=U2/R (3) Разберем очередной практический пример с использованием этой формулы, при 2,5 вольта падения напряжения на реостате сопротивлением в 5 Ом поглощаемая реостатом мощность будет определяться: Р = U2/R=(2,5)2/5=1,25 Вт; Выводы: Для нахождения мощности необходимо знать любые две из величин, из закона Ома. Мощность электрического тока равна работе тока, производимой в течение времени. P = A/t

Основные электротехнические формулы

Работа электрического тока

Проходя по цепи, ток совершает работу. Как например, водный поток направить течь, на лопасти генератора, то пон будет совершать работу, вращая лопасти. Так же и ток совершает работу, двигаясь по проводнику. И эта работа тем выше, чем больше величина сила тока и напряжения. Работа электрического тока, совершаемая на участке цепи, прямо пропорциональна силе тока, напряжению и времени действия тока. Работа электрического тока обозначается латинским символом A. Так как, произведение I×U есть мощность, то формулу работы электрического тока можно записать: A = P×t

Будет интересно➡  Законы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

Единицей измерения работы электрического тока, является ватт в секундах или в джоулях. Поэтому, если мы хотим вычислить, какую работу осуществил ток, идя по цепи в течение временного интервала, мы должны умножить мощность на время Рассмотрим практический пример, через реостат с сопротивлением 5 Ом идет ток силой 0,5 А. Нужно вычислить, какую работу совершит ток в течение четырех часов. Работа в течение одной секунды будет: P=I2R = 0,52×5= 0,25×5 =1,25 Вт,

Тогда за 4 часа t=14400 секунд. Следовательно: А = Р×t= 1,25×14 400= 18 000 вт-сек. Ватт-секунда или один джоуль считаетсяя слишком малой велечиной для измерения работы. Поэтому на практике применяют единицу, называемую ватт-час (втч). Один ватт-час это эквивалентно 3 600 Дж. В электротехнике используются и еще большие единицы, гектоваттчас (гвтч) и киловаттчас (квтч): 1 квтч =10 гвтч =1000 втч = 3600000 Дж, 1 гвтч =100 втч = 360 000 Дж, 1 втч = 3 600 Дж.

Мощность электрического тока

Как рассчитать сопротивление и мощность

Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом. На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.

Согласно действию закона Джоуля — Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой Р=24х0,5=12 Вт.

Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит. Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.

Интересно почитать: все о законе Ома.