Электроэнергия в электрических цепях

Помимо напряжения и тока, есть еще один важный параметр, связанный с электрическими цепями: мощность . Во-первых, нам нужно понять, что такое мощность, прежде чем анализировать ее в каких-либо схемах.

Что такое мощность и как ее измерять?

Мощность - это мера того, сколько работы можно выполнить за определенный промежуток времени. Работа обычно определяется в терминах подъема веса против силы тяжести. Чем тяжелее вес и / или чем выше он поднимается, тем больше работы было выполнено. Мощность это мера того, насколько быстро выполняется стандартный объем работы.

Для американских автомобилей мощность двигателя оценивается в единицах, называемых «лошадиные силы», которые изначально были изобретены производителями паровых двигателей для количественной оценки работоспособности своих машин с точки зрения самого распространенного в их время источника энергии:лошадей.

Одна лошадиная сила определяется в британских единицах как 550 фунт-футов работы в секунду. Мощность двигателя автомобиля не будет указывать на высоту холма, на которую он может подняться, или на какой вес он может буксировать, но он покажет, насколько быстро он может подняться на определенный холм или буксировать определенный вес.

Мощность механического двигателя зависит как от скорости двигателя, так и от его крутящего момента на выходном валу. Скорость выходного вала двигателя измеряется в оборотах в минуту или об / мин.

Крутящий момент - это величина крутящего момента, создаваемого двигателем, и обычно измеряется в фунт-футах или фунт-футах (не путать с фут-фунтами или фут-фунтами, которые являются единицей измерения работы). Ни скорость, ни крутящий момент сами по себе не являются мерой мощности двигателя.

Дизельный тракторный двигатель мощностью 100 лошадиных сил вращается относительно медленно, но обеспечивает большой крутящий момент. Двигатель мотоцикла мощностью 100 лошадиных сил вращается очень быстро, но обеспечивает относительно небольшой крутящий момент. Оба будут производить 100 лошадиных сил, но на разных скоростях и с разным крутящим моментом. Уравнение для мощности на валу простое:

Обратите внимание на то, что в правой части уравнения есть только два переменных члена, S и T. Все остальные члены в этой части постоянны:2, пи и 33000 - все константы (они не меняют своего значения). Мощность в лошадиных силах меняется только при изменении скорости и крутящего момента, больше ничего. Мы можем переписать уравнение, чтобы показать эту взаимосвязь:

Поскольку единица «лошадиных сил» не совпадает в точности со скоростью в оборотах в минуту, умноженной на крутящий момент в фунт-футах, мы не можем сказать, что лошадиные силы равны ST. Однако они пропорциональны для другого. По мере изменения математического произведения ST значение мощности в лошадиных силах изменится в той же пропорции.

Мощность как функция напряжения и тока

В электрических цепях мощность зависит как от напряжения, так и от тока. Неудивительно, что это соотношение имеет поразительное сходство с приведенной выше формулой «пропорциональной» мощности в лошадиных силах:

Однако в этом случае мощность (P) в точности равна току (I), умноженному на напряжение (E), а не просто пропорциональна IE. При использовании этой формулы единицей измерения мощности является ватт . , сокращенно буквой «W.»

Следует понимать, что ни напряжение, ни ток сами по себе не составляют мощности. Скорее, мощность - это комбинация напряжения и ток в цепи. Помните, что напряжение - это удельная работа (или потенциальная энергия) на единицу заряда, а ток - это скорость, с которой электрические заряды проходят через проводник.

Напряжение (удельная работа) аналогична работе, выполняемой при поднятии веса против силы тяжести. Ток (скорость) аналогичен скорости, с которой поднимается этот груз. Вместе как произведение (умножение) напряжение (работа) и ток (скорость) составляют мощность.

Так же, как в случае дизельного двигателя трактора и двигателя мотоцикла, цепь с высоким напряжением и низким током может рассеивать такое же количество энергии, что и цепь с низким напряжением и большим током. Ни величина напряжения, ни сила тока сами по себе не указывают на количество энергии в электрической цепи.

Питание при обрыве / коротком замыкании

В разомкнутой цепи, когда между выводами источника присутствует напряжение и нулевой ток, есть ноль рассеиваемая мощность независимо от того, насколько велико это напряжение. Поскольку P =IE и I =0 и все, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в любой разомкнутой цепи, должна быть равна нулю.

Точно так же, если бы у нас было короткое замыкание, состоящее из петли из сверхпроводящего провода (абсолютно нулевое сопротивление), у нас могло бы быть состояние тока в петле с нулевым напряжением, и аналогично, никакая мощность не рассеивалась бы. Поскольку P =IE и E =0 и все, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в сверхпроводящем контуре, должна быть равна нулю. (Мы рассмотрим тему сверхпроводимости в следующей главе).

Как мощность в лошадиных силах связана с ваттами?

Независимо от того, измеряем ли мы мощность в единицах «лошадиные силы» или в единицах «ватт», мы все равно говорим об одном и том же:сколько работы можно выполнить за заданный промежуток времени. Эти две единицы численно не равны, но выражают одно и то же.

Фактически, европейские производители автомобилей обычно рекламируют мощность своих двигателей в киловаттах (кВт) или тысячах ватт, а не в лошадиных силах! Эти две единицы мощности связаны друг с другом простой формулой преобразования:

Таким образом, наши 100-сильные дизельные и мотоциклетные двигатели также могут быть оценены как двигатели «74570 ватт» или, точнее, как двигатели «74,57 киловатт». В европейской технической документации этот рейтинг был бы скорее нормой, чем исключением.

ОБЗОР:

• Мощность - это показатель того, сколько работы можно выполнить за определенный промежуток времени.
• Механическая мощность обычно измеряется (в Америке) в «лошадиных силах».
• Электрическая мощность почти всегда измеряется в «ваттах», и ее можно рассчитать по формуле P =IE.
• Электроэнергия - это продукт напряжения и текущий, а не ни один по отдельности.
• Лошадиные силы и ватты - это просто две разные единицы для описания одного и того же физического измерения, при этом 1 лошадиная сила равна 745,7 Вт.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Энергетический лист
• Энергия, работа, таблица мощности