Потужність в електричних ланцюгах

Розділ 2 - Закон Ома

Окрім напруги та струму, існує ще один важливий параметр, пов’язаний з електричними ланцюгами: потужність. По-перше, нам слід зрозуміти, що таке потужність, перш ніж аналізувати її в будь-яких схемах.

Що таке сила і як ми її вимірюємо?

Потужність - це міра того, скільки роботи можна виконати за певний проміжок часу. Робота, як правило, визначається як підняття тягаря проти сили тяжіння. Чим важча вага та/або чим вище вона піднята, тим більше роботи зроблено. Потужність - це міра того, наскільки швидко виконується стандартний обсяг роботи.

Для американських автомобілів потужність двигуна оцінюється в одиниці, що називається «кінськими силами», винайденої спочатку як спосіб для виробників парових машин кількісно оцінити працездатність своїх машин з точки зору найпоширенішого джерела енергії свого часу: коней.

В британських одиницях одна кінська сила визначається як 550 фунтів-фунтів роботи в секунду часу. Потужність двигуна автомобіля не буде означати, на яку висоту пагорба він може піднятися або скільки ваги він може буксирувати, але він вкаже, як швидко він може піднятися на певний пагорб або буксирувати певну вагу.

Потужність механічного двигуна залежить від швидкості обертання двигуна та його крутного моменту, що забезпечується на вихідному валу. Швидкість вихідного вала двигуна вимірюється в обертах на хвилину або об/хв.

Крутний момент - це величина сили скручування, яку виробляє двигун, і вона, як правило, вимірюється у фунт-футах або фунт-футах (не плутати з фунт-фунтами або футах-фунтів, що є одиницею для роботи). Ні швидкість, ні крутний момент не є мірою потужності двигуна.

Дизельний тракторний двигун потужністю 100 кінських сил обертається відносно повільно, але забезпечує велику кількість крутного моменту. Двигун мотоцикла потужністю 100 кінських сил обертається дуже швидко, але забезпечує відносно невеликий крутний момент. Обидва будуть виробляти 100 кінських сил, але з різною швидкістю та різним крутним моментом. Рівняння для валу кінських сил просте:

Зверніть увагу, що в правій частині рівняння є лише два змінних доданки, S і T. Усі інші доданки на цій стороні є постійними: 2, pi та 33000 - це всі константи (вони не змінюються у значенні). Потужність змінюється лише залежно від зміни швидкості та крутного моменту, нічого іншого. Ми можемо переписати рівняння, щоб показати це співвідношення:

Оскільки одиниця "кінських сил" не точно збігається зі швидкістю обертів в хвилину, помноженою на крутний момент у фунт-футах, ми не можемо сказати, що кінська сила дорівнює ST. Однак вони пропорційні один одному. Оскільки математичний добуток ST змінюється, значення кінських сил змінюватиметься на ту саму пропорцію.

Потужність як функція напруги та струму

В електричних ланцюгах потужність є функцією як напруги, так і струму. Не дивно, що ці стосунки надзвичайно схожі на формулу «пропорційних» кінських сил:

Однак у цьому випадку потужність (P) точно дорівнює струму (I), помноженому на напругу (E), а не просто пропорційна IE. При використанні цієї формули одиницею вимірювання потужності є ват, скорочений літерою "W."

Слід розуміти, що ні напруга, ні струм самі по собі не становлять потужність. Швидше за все, потужність - це поєднання напруги та струму в ланцюзі. Пам'ятайте, що напруга - це питома робота (або потенційна енергія) на одиницю заряду, тоді як струм - це швидкість, з якою електричні заряди рухаються через провідник.

Напруга (конкретна робота) аналогічна роботі, що виконується при піднятті тягаря проти сили тяжіння. Струм (швидкість) є аналогом швидкості, з якою ця вага піднімається. Разом як продукт (множення) напруга (робота) і струм (швидкість) становлять потужність.

Як і у випадку з дизельним двигуном трактора та мотоциклетним двигуном, ланцюг з високою напругою та низьким струмом може розсіювати ту саму кількість потужності, що і ланцюг з низькою напругою та сильним струмом. Ні величина окремої напруги, ні лише сила струму не вказують на величину потужності в електричному колі.

Живлення в розімкнутому/короткому замиканні

У розімкнутому ланцюзі, де напруга присутня між клемами джерела і є нульовий струм, нульова потужність розсіюється, незалежно від того, наскільки великою може бути ця напруга. Оскільки P = IE і I = 0, і все, що помножується на нуль, дорівнює нулю, потужність, що розсіюється в будь-якому розімкнутому ланцюзі, повинна бути нульовою.

Подібним чином, якби ми мали коротке замикання, сконструйоване з петлі надпровідного дроту (абсолютно нульовий опір), ми могли б мати стан струму в контурі з нульовою напругою, і, так само, жодна потужність не розсіювалася б. Оскільки P = IE та E = 0, і все, що помножується на нуль, дорівнює нулю, потужність, що розсіюється в надпровідній петлі, повинна бути нульовою. (Ми будемо вивчати тему надпровідності в наступному розділі).

Як кінська сила пов’язана з ватами?

Незалежно від того, чи вимірюємо ми потужність в одиниці «кінських сил» чи одиниці «ват», ми все одно говоримо про одне і те ж: скільки роботи можна виконати за певний проміжок часу. Ці дві одиниці чисельно не рівні, але вони виражають однакові речі.

Насправді європейські виробники автомобілів зазвичай рекламують свою потужність двигуна в кіловатах (кВт) або тисячах ват замість кінських сил! Ці дві одиниці потужності пов’язані між собою простою формулою перетворення:

Отже, наші дизельні та мотоциклічні двигуни потужністю 100 кінських сил також можна оцінити як двигуни “74570 ват”, або, більш правильно, як двигуни “74,57 кіловат”. В європейських технічних специфікаціях цей рейтинг буде швидше нормою, ніж винятком.

ОГЛЯД:

Потужність - це міра того, скільки роботи можна виконати за певний проміжок часу.
Механічна потужність зазвичай вимірюється (в Америці) у "кінських силах".
Електрична потужність майже завжди вимірюється у «ватах», і її можна розрахувати за формулою P = IE.
Електрична потужність є продуктом як напруги, так і струму, а не окремо.
Кінська сила та вати - це лише дві різні одиниці для опису одного і того ж виду фізичного вимірювання, причому 1 кінська сила дорівнює 745,7 ват.