Что называется мощностью в цепи постоянного тока
Мощность
Мощностью называется работа, производимая в одну секунду:
[Вт]
Работа в электрической цепи рассчитывается по формуле:
[Дж]
Тогда мощность можно расчитать по следующей формуле:
[Вт]
,
можно получить еще 2 варианта формулы для мощности:
Мощность, отдаваемая источником электрической энергии во внешнюю цепь называется полезной мощностью. Мощность, получаемая им извне называется потребляемой мощность.
Особенности мощности постоянного тока
Электричество — один из важнейших технологических прорывов человечества, благодаря которому люди пользуются компьютерами, мобильными телефонами и любой бытовой техникой. Каждый, наверное, слышал о том, что есть постоянный и переменный электроток, но какими они обладают характеристиками знают далеко не все. Одной из важнейших является мощность. В этом материале будет рассмотрено, что такое мощность постоянного тока и как ее определить.
Что такое постоянный ток
Постоянный электрический ток — это такой ток, который не изменяет свое направление и величину с течением времени. Это своеобразная разновидность однонаправленного DC. Его мощностью называется значение, показывающее работу, которую он совершает в результате перемещения заряда на некоторое расстояние за единицу времени. Измеряется она, как и механическая или световая величина в ваттах.
Графики различных типов электрических токов
Что касается расстояния, то этот факт можно опустить, так как заряды в проводнике могут двигаться с очень большой скоростью, преодолевая огромные расстояния.
Постоянное течение зарядов не изменяет своей величины во времени
Виды мощности постоянного тока
Любая мощностная величина определяется работой, которая совершается за определенную единицу времени. Чаще всего ею становится секунда. Она означает величину, характеризующую, насколько быстро совершается работа. Касаемо электрической мощности это расход электроэнергии за одну секунду.
Мощностная характеристика тока соответствует отношению его работы ко времени
Работой тока называется процесс превращения электроэнергии в какую-либо другую энергию (механическую, тепловую или световую). Именно по мощности, которая обозначается буквой «P» или «W», и оценивается работоспособность электротока.
К сведению! Вообще у тока постоянного значения нет активной и реактивной P. Для этого вида сети характерна только мгновенная характеристика.
Мгновенная мощность
Если говорить о сетях переменного электротока, то рассматриваемая величина в них, как и электроток или напряжение, регулярно меняет свои значения. Это напрямую влияет на другие параметры. При константном течении зарядов все остается неизменным. Именно поэтому и возникает термин «мгновенная мощность».
Силы в сети регулярного тока остаются неизменными и равняются мгновенным их значениям, взятым в произвольный момент времени. Такую характеристику можно высчитать по мгновенным значениям. Для этого подходит формула мощности постоянного тока в цепи: P = I * U.
Если сеть пассивна и в ней соблюдается закон Ома, то справедливо равенство. В случае подключения источника ЭДС нужна другая формула: P = I * E, где E — это электродвижущая сила.
Активная мощность
Активная мощность — это среднее за период значение мгновенной P. При активной P происходит конвертация мощности тока в энергию любого вида (механическую, световую или тепловую). Подобный перевод электротока нельзя выполнить в обратном направлении. Активный тип также измеряется в ваттах. 1 Ватт равен 1 вольту умноженному на 1 ампер.
Работа неразрывно связана с определением мощностных характеристик
К сведению! В бытовых и уж тем более промышленных масштабах единицу измерения ватт никогда не используют. Для этих целей задействуют показатели на порядок выше: мегаватты в киловатты.
Реактивная мощность
Реактивная мощностная характеристика определяет нагрузку, которая создается электрическими устройствами определенными колебаниями энергии электромагнитного поля в сетях синусоидального тока переменной частоты. Она равна произведению среднеквадратичных значений напряжения и силы тока, умноженных на синус угла, на который сдвигается фаза между ними. Реактивный параметр неразрывно связан с полной P и активным параметром.
Все основные величины могут быть найдены с использованием закона Ома
Если говорить про физический смыл реактивности, то он представляет собой некую энергию, которая перекачивается из источника к реактивным элементам приемника (конденсатор, обмотка генератора, катушка индуктивности и т. д.), а потом возвращается обратно в источник за время одного периода колебаний.
Полная мощность
Общая мощность, которую можно представить в виде кружки пива
Если говорить проще, то активная P есть везде, где присутствует нагрузка активного плана. Например, в спиральных нагревателях, сопротивлении проводов и т. д. Реактивный параметр характерен для реактивной нагрузки, которая имеется в элементах индуктивности или емкости.
Какие факторы влияют на мощность тока
На постоянный ток влияют всего две величины: сила электротока (в амперах) и напряжение (в вольтах). Из формулы, описанной выше, становится понятно, что мощностная характеристика константного электротока высчитывается как произведение силы электротока в этой сети на напряжение.
Обратите внимание! В случае подключения к цепи источника электродвижущих сил P будет зависеть и от него, а если быть точнее, то он будет измеряться как сила тока, умноженная на ЭДС.
Как определить мощность постоянного тока в ваттах
Определить мощностные параметры электротока постоянного значения достаточно просто, так как она равна мгновенной его характеристике. Происходит это из-за того, что постоянный электроток не меняет своего направления и значения. Мгновенная характеристика может также применяться и в цепях переменного электротока, но это не будет иметь практического применения, так как его параметры регулярно меняют величину и направление.
Для определения P постоянного электротока необходимо найти произведение силы этого электротока и напряжения. В случае рассмотрения пассивной линейной цепи можно воспользоваться произведением квадрата силы тока и сопротивления цепи или отношением квадрата напряжения и общего сопротивления.
Единицей измерения P является Вт
Таким образом, было рассмотрено, как определить мощность электрического тока, что она собой представляет и от каких величин зависит. Эта физическая величина определяется работой электротока, совершаемой за единицу времени. Если смотреть с точки зрения электричества, то это расход электроэнергии за определенный промежуток времени. Он также измеряется в ваттах, как и механические или световые физические величины.
Мощность в цепи постоянного тока
Здравствуйте! Эту статью можно считать началом знакомства с электричеством. Напряжение, ток, сопротивление – это три главные величины, на которых построены основные законы электротехники и эти величины связаны между собой еще одной – мощностью. А чтобы было проще знакомиться с электротехникой, мы будем рассматривать мощность в цепи постоянного тока. Дело в том, что при расчетах в цепях переменного тока появляется довольно много условий. Впрочем, обо всём по порядку и вы сейчас сами с этим разберётесь.
Для удобства я сразу напишу международные обозначения этих четырёх величин:
U – напряжение (В, вольт)
R – сопротивление (Ом, ом)
P – мощность (Вт, ватт – не надо путать с вольтом, который обозначается только одной буквой В)
Для начала абстрактный пример, чтобы проще было понимать термины, которые я сейчас буду использовать. Допустим, есть магазин товаров (условно это можно представить, как напряжение), есть деньги (условно это будет ток), есть совесть, которая не позволяет вам тратить много или наоборот, шепчет, чтобы вы крупно потратились (это можно считать сопротивлением) и есть купленные товары или продукты, которые вы несёте домой (это мощность). Собственно, на этом примере можно объяснить многие законы, связанные с электрическим током. Все обозначенные величины связаны между собой законом Ома, который гласит, что сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению цепи, а именно:
В абстрактном примере – чем больше магазин (напряжение) и чем меньше вам шепчет совесть (сопротивление), тем больше вы тратите денег (сила тока), а когда вы несёте купленный товар домой, вы совершаете работу (мощность). Мощность в цепи постоянного тока это и есть работа, совершаемая электричеством. Мощность это произведение тока на напряжение, а если вместо тока или напряжения подставить соответствующие значения, то можно получить мнемоническую табличку:
Как видите, мощность в цепи постоянного тока это довольно простое понятие, если немного вдуматься в материал. По сути, это всего две формулы с заменой значений. Как это выглядит:
Если теперь в формуле мощности подставить место значения тока формулу тока, то получим следующее:
Именно таким образом и получилось 12 формул на основе закона Ома, которые вы видите в мнемонической табличке. Что такое мощность в цепях постоянного тока мы более или менее разобрались, но есть ещё один момент.
Баланс мощностей в цепи постоянного тока.
Собственно, это просто проверка правильности расчетов электрической цепи. Возвращаясь к нашему абстрактному примеру это выглядит так: вы купили товары, забрали их на кассе, отошли от кассы и вам показалось, что ваши пакеты должны быть больше или меньше, чем получились. Тогда вы берёте чек и начинаете сравнивать товар в чеке и товар в наличии. Если товары в чеке и товары в руках совпали, значит всё в порядке. Если мы обратимся к определению, то баланс мощностей – сумма мощностей потребляемых приемниками, равна сумме мощностей отдаваемых источниками.
Как это использовать на практике? Допустим, у нас есть задача, которую нужно решить:
Поскольку решение задачи не является целью этой статьи, я дам уже готовые ответы. 
Что мы и получаем с учетом потерь при округлениях.
Таким образом, баланс мощностей в электрической цепи постоянного тока — это ничто иное, как проверка самого себя, своих расчётов.
Как видите, мощность в цепи постоянного тока посчитать довольно легко. Гораздо больше сложностей возникнет, если ток будет переменный. Другими словами, на примере магазина это выглядит так:
Постоянный ток – от входа до выхода прямая линия и вы спокойно идете от начала и до конца без каких-либо приключений.
Переменный ток – магазин представляет из себя зигзаг и вам приходится делать лишние движения.
Поэтому в переменном токе мощность считать немного сложнее, но это уже тема совсем другой статьи.
Мощность электрического тока
Разомкнутые и замкнутые цепи
Начнем с самой простой схемы фонарика и от нее уже будет отталкиваться
Здесь мы видим три радиоэлемента: источник питания Bat, выключатель S и кругляшок с крестиком внутри, то есть лампочку. Все это вместе называется электрической цепью. Так как по цепи не бежит электрический ток, то такую цепь называют разомкнутой.
Но стоит нам щелкнуть выключатель, и у нас тут же загорится лампочка. Такая цепь уже будет называться замкнутой.
Электроэнергия и источник питания
Теперь давайте подробнее разберем нашу схему. Немного развернем ее в пространстве для удобства, игнорируя ГОСТ по обозначению источника питания:
Как мы помним с прошлой статьи, электрический ток бежит от точки с бОльшим потенциалом, то есть от плюса, к точке с мЕньшим потенциалом, то есть к минусу. Или говоря простым языком: от плюса к минусу. В настоящий момент у нас выключатель разомкнут. Можно сказать, что мы «оборвали» нашу цепь выключателем. В среде электриков и электронщиков говорят, что цепь » в обрыве». Ток не бежит, лампочка не горит.
Но вот мы ловким движением руки щелкаем выключатель и у нас цепь замыкается:
Дорога для электрического тока открыта, и он течет от плюса к минусу через лампочку накаливания, которая начинает ярко светиться.
Вроде бы все понятно, но не совсем. Кто или что заставляет светиться лампочку? Мало того, что она светит, она еще и греет!
Что самое первое появилось во Вселенной? Говорят, что время, хотя я думаю, что энергия). Энергия ниоткуда просто так не берется и никуда просто так не исчезает. Это и есть закон сохранения энергии, так что «побрейтесь» фанаты вечных двигателей).
В данном опыте у нас лампочка светит и греет. Получается, что лампочка излучает и тепловую и световую энергию. Вы ведь не забыли, что световые лучи передают энергию? В быту, например, мы используем солнечные панели, чтобы из лучиков получить электрический ток.
Странно наверное что я пишу в середине статьи не по теме, НООО прочитай про протоны.
Но теперь вопрос такой. Если лампочка излучает световую и тепловую энергию, то откуда она ее получает? Разумеется, от источника питания. Фраза «источник питания» уже говорит сама за себя. Берет энергию наша лампочка прямо от источника питания через проводкИ. Энергия, которая течет через проводочки, называется электроэнергией.
А откуда берет электроэнергию источник питания? Здесь уже есть разные способы добычи электроэнергии. Это может быть падающий поток воды, который крутит мощные лопасти вертушки, которая работает как генератор. Это могут быть химические реакции в батарейках и акумах. Это может быть даже солнечная панелька или вообще какой-нибудь элемент, типа Пельтье (элемент Пельтье), который может вырабатывать электрический ток под действием разности температур. Способов много, а эффект один. Сделать так, чтобы появилась ЭДС (Что такое).
Электрический ток и нагрузка
В дело идет Закон Ома. Как я уже писал, это самый значимый закон во всей электронике. Что такое по сути лампочка? Это вольфрамовый проводок в стеклянной колбе с вакуумом. Вольфрам — это металл, следовательно, он может через себя проводить электрический ток. Но весь прикол в том, что при определенном напряжении он раскаляется и начинает светиться. То есть отдавать энергию в пространство в виде тепла и излучения.
В холодном состоянии вольфрамовая нить обладает меньшим сопротивлением, чем в раскаленном, более чем в десять раз. Следовательно, лампочка — это просто как сопротивление для электрической цепи. В этой статье я взял лампочку, чтобы визуально показать нагрузку. Нагрузка — от слова «нагружать». Источнику питания не нравится, когда ему приходится отдавать электроэнергию. Он любит работать без нагрузки 😉
Теперь давайте представим все это с точки зрения гидравлики и механики.
Имеем трубу, по которой бурным поток течет вода. К трубе приделана вертушка, типа водяного колеса. Лопасти вертушки крутят вал.
Рисунок я чертил по всем догмам черчения: главный вид, и справа его разрез.
Если к валу ничего не цепляется, то поток воды бурно бежит по трубе и крутит колесо, а оно в свою очередь крутит вал. Такой режим можно назвать холостым режимом работы водяного колеса, то есть режимом без нагрузки.
Но что будет, если мы начнем использовать вращение вала себе во благо? Например, соединим с помощью муфты вал водяного колеса с валом мини-мельницы?
Думаю, многие из моих читателей сразу догадаются, что водяное колесо начнет притормаживать, так как мы его заставили работать. Крутиться со скоростью холостого хода у нашего вала уже не получится. Скорость будет меньше. То есть в нашем случае у нас на валу есть нагрузка. Что же будет происходить с потоком воды в трубе? Он будет тормозиться, так как лопасти вала не дадут водичке спокойно бежать по трубе. Поэтому, общий поток воды в трубе будет меньше, чем ДО холостого хода вала.
А если нагрузить вал, чтобы тот поднимал грузовой лифт?
Думаю, вся конструкция тут же встанет колом. То есть большая нагрузка станет непосильна для вала. А если бы мы сделали лопасти вертушки такие, чтобы они полностью перекрывали диаметр трубы, то поток жидкости вообще бы остановился.
Давайте разберем еще один пример для понимания. Все тот же самый рисунок:
Предположим, что мы прицепили к валу наждак, а электродвигатель убрали с этой конструкции. И вот мы решили что-нибудь шлифануть.
Итак, что у нас в результате получается? Если мы будем слабо давить на шлифовальный круг, то у нас круг начнет притормаживаться и уже будет крутиться с другой скоростью. Если мы сильнее будем давить на круг, то скорость вала еще больше упадет. Если же мощность нашего вала слабовата, мы можем добиться того, что при сильном давлении на круг вообще остановить вал. Тогда и точиться ничего не будет…
Давайте снова вернемся к мини-мельнице
Понимаете к чему я веду? Все завязано друг с другом! Давление в трубе, скорость потока жидкости и нагрузка… Все они связаны воедино.
Мощность электрического тока
Для того, чтобы это показать что к чему, мы возьмем две лампы на 12 Вольт, но разной мощности. На блоке питания выставляю также 12 Вольт и собираю все это дело по схеме, которая мелькала в начале статьи
Мой блок питания может выдать в нагрузку 150 Ватт, не парясь. Беру лампочку от мопеда и цепляю ее к блоку питания
Смотрим потребление тока. 0,71 Ампер
Высчитываем сопротивление раскаленной нити лампочки из закона Ома I=U/R, отсюда R=U/I=12/0,71=16,9 Ом.
Беру галогенную лампу от фары авто и также цепляю ее к блоку питания
Смотрим потребление. 4,42 Ампера
Аналогично высчитываем сопротивление нити лампы. R=U/I=12/4,42=2,7 Ом.
А теперь давайте посчитаем, какая лампочка больше всех Ватт «отбирает» у источника питания. Вспоминаем школьную формулу P=UI. Итак, для маленькой лампочки мощность составит P=12×0,71=8,52 Ватта. А для большой лампочки мощность будет Р=12х4,42=53 Ватта. Ого! У нас получилось, что лампочка, которая обладала меньшим сопротивлением, на самом деле очень даже прожорливая.
Итак, если кто не помнит, что такое мощность, могу напомнить. Мощность — это отношение какой-то полезной работы к времени, в течение которого эта работа совершалась. Например, надо вскопать яму определенных размеров. Вы с лопатой, а ваш друг — на экскаваторе:
Кто быстрее справится с задачей за одинаковый промежуток времени? Разумеется экскаватор. В этом случае, можно сказать, что его мощность намного больше, чем мощность человека с лопатой.
А теперь представьте, что нам надо полностью под ноль сточить эту железяку:
Подумайте вот над таким вопросом… У нас есть в запасе 5 мин и нам надо сточить железяку по-максимому. В каком случае железяка сточится быстрее всего: если прижимать ее к абразивному кругу со всей дури, прижимать слегка, либо прижимать в полсилы? Не забывайте, что у нас абразивный круг подцеплен к валу, который крутит поток воды в трубе. И да, труба у нас небольшого диаметра.
Кто ответил, что если прижимать в полсилы, то оказался прав. Железяка в этом случае сточится быстрее. Если прижимать ее со всей дури, то можно вообще остановить круг. Еще раз, что у нас такое мощность? Полезная работа, совершаемая за какой-то промежуток времени. А в нашем опыте полезная работа это и есть стачивание железяки по максималке. Также не забывайте и тот момент, что если мы будем слегка прижимать железяку, то мы будем ее стачивать пол дня. Поэтому, золотая середина — это давить железяку в полсилы.
Ну вот мы и снова переходим к электронике 😉
Поток воды — сила тока, давление в трубе — напряжение, давление железяки на круг — сопротивление. И что в результате мы получили? А то, что лампочка с меньшим сопротивлением обладает большей мощностью, чем лампочка с большим сопротивлением. Не трудно догадаться, если просто посмотреть на фото, но вживую эффект лучше
Но обязательно ли то, что чем меньше сопротивление, тем больше мощности выделяется на нагрузке? Конечно же нет. Во всем нужен расчет, как и в прошлом опыте, где мы стачивали железяку за определенное время.
И еще один фактор, конечно, тоже надо учитывать. Это давление в трубе. Прикиньте, точим-точим мы железяку, и вдруг давление в трубе стало повышаться. Может быть переполнилась башня, или кто-то открыл краник на полную катушку. Что станет с наждаком? Его обороты ускорятся, так как сила потока воды в трубе увеличится, а следовательно, мы еще быстрее сточим нашу железку.
Формула мощности для постоянного электрического тока
Поэтому формулы мощности в электронике имеют вот такой вид:
А — это полезная работа, Джоули
U — напряжение, Вольты
P — собственно сама мощность, Ватты
R — сопротивление, Омы
Как вы можете заметить, формула P=I 2 R говорит нам о том, что не всегда на маленьком сопротивлении вырабатывается большая мощность и то, что мощность очень сильно зависит от силы тока. А как поднять силу тока? Добавить напряжения ;-). Закон Ома работает всегда и везде.
А из формулы P=U 2 /R, можно увидеть, что чем меньше сопротивление и больше напряжение в цепи, тем больше мощность будет выделяться на нагрузке. А что такое выделение мощности на нагрузке? Это может быть тепло, свет, какая-либо механическая работа и тд. Короче говоря, выработка какой-либо полезной энергии для наших нужд.