Электроника:Постоянный ток/Закон Ома/Мощность в электрических цепях

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Максим Кузьмин (Cubewriter) Контакты:</br>* Skype: cubewriter</br>* E-mail: cubewriter@gmail.com</br>* Максим Кузьмин на freelance.ru
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Мощность в электрических цепях[1]

Вдобавок к напряжению и силе тока в науке об электричестве есть еще одна важная величина: мощность. Но перед тем, как анализировать ее в цепях, давайте разберемся, что это такое.

Что такое мощность и как ее измерять?

Мощность – это величина того, сколько работы можно выполнить за заданный промежуток времени. Под «работой» часто имеют в виду поднятие груза с преодолением силы гравитации. Чем тяжелее вес и/или выше его поднимают, тем больше работы нужно сделать. Мощность – это величина того, как быстро выполняется стандартный объем работы.

В американских автомобилях мощность двигателя измеряется в так называемых «лошадиных силах» – единице измерения, которую производители паровых двигателей изначально изобрели для измерения работоспособности своих машин, используя для этого самый распространенный «источник питания» того времени – лошадей. Одна лошадиная сила составляет примерно 745 ньютон-метров работы в секунду. Мощность двигателя машины означает не то, на какой высоты холм она может заехать или то, насколько тяжелый груз она способна тащить, а то, насколько быстро она может заехать на этот холм или тянуть этот груз.

Мощность механического двигателя зависит от скорости вращения двигателя и крутящего момента на выходном валу. Скорость выходного вала двигателя измеряется в оборотах в минуту. Крутящий момент – это вращательная сила, производимая двигателем, и она, как правило, измеряется в ньютон-метрах (на западе – в фунт-футах). По отдельности ни скорость вращения вала, ни крутящий момент мощность двигателя не определяют.

Тракторный дизельный двигатель мощностью 100 лошадиных сил будет крутиться относительно медленно, но давать относительно большой крутящий момент. Мотоциклетный двигатель на 100 лошадиных сил будет крутиться очень быстро, но давать относительно маленький крутящий момент. Оба двигателя дают одни и те же 100 лошадиных сил, но разные скорость и крутящий момент. Вот уравнение для расчёта мощности на валу:

Power in Electric Circuits 8.jpg

Обратите внимание, что здесь только две переменные с правой стороны уравнения – S и T. Все остальные значения – это константы (т.е. не меняющиеся значения): «2», «π» и «33000». Показатель лошадиных сил меняется только в зависимости от скорости и крутящего момента. Давайте перезапишем это уравнение, чтобы показать связь между ними:

Power in Electric Circuits 9.jpg

Поскольку лошадиные силы не равны скорости (обороты в минуту), умноженной на крутящий момент (ньютон-метры), мы не можем сказать, что эта величина равна ST. Но они пропорциональны друг другу. Если математический результат ST изменится, то параметр лошадиных сил изменится в той же пропорции.

Зависимость мощности от напряжения и силы тока

В электрических цепях мощность зависит одновременно и от напряжения, и от силы тока. Поэтому неудивительно, что эта взаимосвязь поразительно похожа на формулу расчёта лошадиных сил:

P = IE

Но в данном случае мощность (P) точно равна силе тока (I), умноженной на напряжение (E), а не просто пропорциональна им. При использовании этой формулы единицей измерения мощности являются ватты, которые обозначаются символом «В» («W»).

Важно понимать, что ни напряжение, ни сила тока сами по себе не дают мощность. Мощность – это комбинация напряжения и силы тока в цепи. Как вы помните, напряжение – это работа (потенциальная энергия) на единицу заряда, а сила тока – это скорость, с которой электрические заряды перемещаются по проводнику. Напряжение – это аналог работы, выполняемой для поднятия груза в противовес силе тяжести. Сила тока – это аналог скорости, с которой поднимается груз. Вместе, будучи результатом умножения, напряжение (работа) и сила тока (скорость) дают мощность.

Как и в примере с трактором/мотоциклом, в цепи с высоким напряжением и низкой силой тока может рассеиваться та же мощность, что и в цепи с низким напряжением и большой силой тока. Ни напряжение, ни сила тока сами по себе, опять же, не говорят о мощности в электрической цепи.

Мощность в разомкнутой/замкнутой цепи

В разомкнутой цепи, где напряжение проявляется на терминалах источника напряжения, а сила тока равна нулю, никакой мощности рассеиваться не будет (независимо от того, насколько велико напряжение). Поскольку P = I x E, а I = 0, то и рассеиваемая в такой цепи мощность тоже равна нулю (потому что умножение на ноль даёт ноль). Аналогично, если у нас есть замкнутая цепь из провода-сверхпроводника (с абсолютно нулевым сопротивлением), у нас может получиться ситуация с нулевым напряжением, и никакой мощности тоже рассеиваться не будет. Поскольку P = I x E, а E = 0, то рассеиваемая мощность в этой сверхпроводниковой цепи будет равна нулю (потому что, опять же, умножение на ноль даёт ноль). Тему сверхпроводимости мы изучим позже.

Как лошадиные силы связаны с ваттами?

В чём бы мы не измеряли мощность – в лошадиных силах или ваттах – мы всегда имеем в виду одно и то же: то, сколько работы может быть проделано за некоторый промежуток времени. Эти две единицы измерения численно не совпадают, но выражают одно и то же. К слову, европейские автопроизводители часто рекламируют мощность своих двигателей, используя вместо лошадиных сил киловатты (кВт) или тысячи ватт. И эти единицы измерения мощности можно перевести друг в друга с помощью одной простой формулы:

1 лошадиная сила = 745.7 ватт

Таким образом, дизельный или мотоциклетный двигатели на 100 лошадиных сил можно также назвать двигателями на 74570 ватт или 74.57 киловатт. Причем в характеристиках европейских автомобилей это скорее норма, чем исключение.

Итого

  • Мощность – это величина того, сколько работы можно сделать за некоторый промежуток времени.
  • Механическая мощность, как правило, измеряется (в США) в лошадиных силах.
  • Электрическая мощность почти всегда измеряется в ваттах, и её можно рассчитать по формуле P = IE.
  • Электрическая мощность – это результат умножения напряжения и силы тока, но ни одной из этих величин по отдельности.
  • Лошадиные силы и ватты – это лишь две единицы измерения для описания одной и той же физической величины, и 1 лошадиная сила равна 745.7 ваттам.

См.также

Внешние ссылки