Мощность электрического тока

При подключении нагрузок необходимо учитывать энергетические возможности сети питания. Определенные ограничения принимают во внимание, выбирая подходящую проводку. Мощность тока – важнейший параметр, который применяют для решения разных практических задач в электротехнике.

Работа и мощность электрического тока, основные формулы

Что такое мощность электрического тока

Классическое понятие обозначает работу по перемещению заряда из точки F1 в точку F2. Мощность – это количество использованной энергии. Данная величина определяется не только расстоянием. Определенное значение имеют параметры заряда.

Формула мощности электрического тока

Для практических расчетов неудобно пользоваться базовым определением. Ниже приведены формулы, которые помогут узнать потребление электричества с использованием стандартных параметров источника питания и паспортных данных подключенных устройств. При отсутствии этих сведений в сопроводительной документации можно получить необходимые данные на официальном сайте производителя либо с помощью специальных измерений.

Мощность электрического тока через напряжение и ток

Так как разница потенциалов (F1-F2) соответствует напряжению (U), несложно сделать вывод о допустимости применения соотношений, определенных в законе Ома. Мощность (P) дополнительно характеризуется силой тока (I) в определенном участке цепи. Итоговое выражение:

P = U * I.

Обозначение мощности по международной системе СИ – ватты (Вт). Для маленьких и больших величин пользуются кратными приставками: «милли-», «микро-», «мега-» и другими. Несложно понять, как обозначается мощность:

5 800 Вт = 5,8 киловатт = 5,8 кВт.

Мощность электрического тока через напряжение и сопротивление

По аналогии с предыдущими рассуждениями можно выразить мощность следующим образом:

P = U2/R.

Чему равна мощность электрического тока через ток и сопротивление

Путем несложных преобразований определяют потребление энергии следующим образом:

P = I2 * R.

В этом и предыдущем разделе показана зависимость мощности от номинала подключенного резистора. При рассмотрении полной цепи учитывают внутреннее сопротивление источника и проводимость соединений.

Чтобы не ошибаться при расчетах, можно скопировать эту картинку с основными формулами

От чего зависит мощность тока

В реальных цепях перемещению электронов препятствует электрическое сопротивление, которое характеризует потери в проводнике. В схемах с источником переменного тока существенное значение приобретает синусоидальное изменение электрических параметров. Следующие данные помогут выбрать оптимальный метод расчета с учетом реальных условий.

Мгновенная электрическая мощность

В соответствии с названием, величину данного параметра определяют мгновенные значения измеряемых величин. Основное определение можно рассмотреть с учетом перемещения единичного элементарного заряда (q), которое выполняется за время Δt. На выполнение работы будет затрачена мощность эл тока PF1-F2 = U/ Δt или (U/ Δt) * q =  U * (q/ Δt) c учетом перемещаемого заряда. Так как ток по стандартному определению равен заряду, который переходит из F1 в F2 (I = q/ Δt), несложно вывести итоговую формулу:

PF1-F2 = U * I.

Принимая бесконечно малым интервал времени, можно получить соответствующее определение мощности для участка цепи:

P(t) = U(t) * I(t).

Аналогичные выводы делают с учетом соответствующей величины сопротивления:

P (t) = (I (t))2 * R = (U(t))2/ R.

К сведению. Из последних формул понятно, что сопротивление не зависит от времени.

Дифференциальные выражения для электрической мощности

В реальных проводниках существенное значение имеют энергетические потери на единицу объема. Такие ситуации рассматривают с учетом плотности тока (j). Мощность (удельную) определяют по выражению Pудельн = (j2) * Rудельн. Для удобства оценки часто пользуются удельной проводимостью, которая обратна соответствующему сопротивлению.

Что такое мощность постоянного тока

Приведенные выше формулы без корректирующих коэффициентов применяют для расчета схем с подключением к источнику постоянного тока. С помощью обычного мультиметра при соответствующем положении переключателя определяют сопротивление подключенной нагрузки. Последовательным подключением измерительного прибора проверяют силу тока, параллельным – напряжение. Чтобы выяснить, сколько будет потреблять такая схема, пользуются формулами:

P = I * U или P = U2/ R = I2 * R.

Так можно измерять постоянный ток мультиметром

Мощность переменного тока

В таких цепях применять формулы для мгновенных величин нельзя, так как итоговое значение будет изменяться от минимума до максимума с частотой сети. В стандартной однофазной сети 220 V поддерживается синусоидальная форма сигнала 50 Гц.

Однако допустимо использование рассмотренных выше простых соотношений (P = U * I и других) при подключении нагрузки с резистивными характеристиками:

• ТЭНов стиральных машин;
• нагревательных спиралей инфракрасных излучателей;
• лампочек с вольфрамовой нитью накаливания.

С помощью этого выражения выясняют, какая мощность будет выделяться в нагрузке.

Активная мощность

Ситуация меняется радикальным образом, если включается мощный электродвигатель или конденсатор. Подобные нагрузки формируют колебательный контур, который обменивается энергией с источником питания. Полезные функции в данном случае выполняются только активной компонентой (Pакт). Ее вычисляют следующим образом:

• U * I – постоянный ток (переменный при резистивной нагрузке);
• U * I * cos ϕ – для ~220V, одна фаза;
• U * √3 * cos ϕ = U * 1,7321 * cos ϕ – три фазы, U * √3 * ~380V.

Реактивная мощность

Этот параметр, несмотря на отсутствие полезной работы, следует учитывать для корректной оценки важных параметров сети. Дело в том, что проводники нагреваются при пропускании тока в любом направлении. Циклические энергетические воздействия при достаточно большой интенсивности:

• разрушают жилы и защитные оболочки кабелей;
• провоцируют короткое замыкание;
• повреждают обмотки электроприводов и трансформаторы.

Реактивная составляющая определяется формулой:

Pреакт = U * I * sin ϕ.

Она принимает отрицательное (положительное) значение при подключении нагрузки с емкостными (индукционными) характеристиками, соответственно.

В чем измеряется мощность тока для подобных ситуаций, понятно из определения. Так как речь идет об изменении параметров электрического (магнитного) поля, итоговый результат обозначают вольт-амперами реактивными (единица измерения сокр. – вар).

Полная мощность

Если рассматриваемые величины выразить векторами, образуется треугольник. Длина сторон будет соответствовать потреблению энергии определенной составляющей. Угол между полной (Pполн) и активной мощностью (ϕ) используется в расчетах для вычислений. Общая формула:

Pполн = √((Pакт)2 + (Pреакт)2).

Комплексная мощность

Потребление энергии можно выразить при необходимости комплексными величинами. Используют базовые соотношения. Вместо сопротивления применяют импеданс.

Измерения

Как показано выше, некоторые исходные данные можно получить в ходе практических измерений. Ниже отмечены особенности типовых специализированных приборов.

Прямые замеры

Ваттметры выпускают в разных модификациях для сетей ~220V и ~380V. Соответствующие коррекции делают в процессе выполнения рабочих операций. Следует подключать щупы с учетом инструкций производителя и соответствующего расположения проводников. Как правило, в конструкциях приборов применяют две катушки с параллельным и последовательным подсоединением к нагрузке. Для повышенной точности пользуются профессиональными приборами «лабораторной» категории.

Косвенные замеры

Эти операции выполняют с применением мультиметров. Измеряют сопротивление, ток и напряжение, после чего вычисляют мощность.

Фазометры

С помощью этих приборов измеряют фазовый сдвиг между несколькими электрическими параметрами. Таким аппаратом можно определить cos ϕ, если паспортное значение отсутствует в сопроводительных документах к оборудованию.

Регулирование cos

Отмеченное выше негативное влияние реактивных составляющих компенсируют специальными дополнениями в общую электрическую схему. Расчеты выполняют с применением представленных формул.

Мощность некоторых электрических приборов

При оснащении современной квартиры часто приходится решать задачи по согласованию нагрузок в отдельных линиях. Необходимо правильно встраивать защитный автомат, чтобы предотвратить аварийные ситуации. Начинают с уточнения параметров проводки. Далее проверяют группы подсоединенной бытовой техники. Типичные параметры потребляемой мощности (Вт):

• персональный компьютер – 170-1 250;
• ноутбук – 40-280;
• ЖКИ телевизор – 120-265;
• утюг – 450-1850;
• кондиционер – 1 200 – 2 500.

Какой автомат подойдет, определяют с учетом всех значимых факторов. Особое внимание уделяют нагрузкам с высокими значениями реактивной составляющей мощности.

Видео    

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич