Мощность электрического тока

Работа и мощность электрического тока.

Всем доброго времени суток! В сегодняшней статье мы будем разбираться с понятиями работы и мощности электрического тока. Для начала рассмотрим постоянный ток, а затем проведем аналогичные “исследования” и для цепей переменного тока Тема довольно обширная, формул много, так что давайте приступать!

Работа и мощность постоянного тока.

Давайте вспомним первую статью курса “Электроника для начинающих” – вот она. Там мы определили напряжение как работу, которую необходимо затратить для переноса единичного заряда из одной точки в другую. Обозначим эту величину – . Чтобы найти работу, которую совершат несколько зарядов, нам необходимо работу одного заряда умножить на количество зарядов:

По определению мощность – это работа за единицу времени. Таким образом, мы получаем формулу мощности:

Снова возвращаемся мысленно к уже упомянутой первой статье курса, в которой мы обсуждали понятия тока и напряжения и вспоминаем, что количество зарядов, проходящее через проводник в единицу времени () – это и есть ток по определению И в итоге мы приходим к следующему выражению для мощности электрического тока:

Здесь мы также учли, что работа – численно равна напряжению на данном участке цепи.

Собственно, мы получили одну из основных формул для нахождения мощности постоянного тока. А учитывая закон Ома получаем следующее:

Единицей измерения мощности является Ватт, а 1 Вт – мощность, при которой за 1 секунду совершается работа 1 Джоуль.

Тут необходимо остановиться на одном довольно интересном нюансе. Часто при обсуждении работы электрического тока можно услышать сочетание – киловатт-час. Например, электросчетчики в домах показывают работу именно в этих единицах измерения. Так вот несмотря на схожесть в названиях единиц измерения мощности (ватт) и работы (киловатт-час/ватт-час) не стоит забывать, что эти термины относятся к разным физическим величинам. Чтобы перевести КВт*ч в более привычные с точки зрения системы измерений Си джоули можно воспользоваться следующим математическим соотношением:

1 КВт*ч = 3600000 Дж

Давайте рассмотрим небольшой пример для иллюстрации вышесказанного Итак, пусть у нас есть чайник, мощность которого составляет 1200 Вт (1.2 КВт). Мысленно включим его на 10 минут (1/6 часа). В итоге, работа электрического тока (а вместе с ней и потребленная чайником энергия) составит:

1200 Вт * 1 / 6 ч = 200 Вт*ч = 0.2 КВт*ч

С работой и мощностью постоянного тока все понятно, давайте перейдем к цепям переменного тока.

Мощность переменного тока.

Пусть у нас ток и напряжение изменяются по следующим законам:

Мы приняли, что ток и напряжение сдвинуты по фазе на величину .

Мгновенная мощность (мощность переменного тока в любой момент времени) будет равна:

Преобразуем формулу в соответствии с тригонометрической формулой произведения синусов:

Вот так будут выглядеть зависимости тока, напряжения и мощности переменного тока от времени:

На самом деле практический интерес представляет не мгновенное значение мощности (которое постоянно меняется), а среднее. Для среднего значения мощности переменного тока за период запишем следующее выражение:

Не буду особо нагружать математическими выкладками, давайте просто обратим внимание на то, что в формуле мгновенной мощности второе слагаемое () при интегрировании (суммировании) будет равно нулю. Это связано с тем, что если мы рассматриваем конкретный период, то значение косинуса в течение одного полу-периода сигнала будет иметь положительную величину, а в течение другого – отрицательное)

Поэтому в финальной формуле средней мощности переменного тока останется только интеграл от первого слагаемого:

Вот мы и получили выражение для вычисления средней за период мощности в цепи переменного тока (ее также называют активной мощностью)

Если сдвиг фаз между током и напряжением будет равен нулю, то значение средней мощности будет максимальным (поскольку ). В случае сдвига фаз часть мощности передается в нагрузку (активная мощность), а часть нет (реактивная мощность). Реактивная мощность характеризует энергию, которая переходит от источника к реактивным элементам цепи, а затем возвращается этими элементами обратно в источник в течение одного периода. Из формулы понятно, что чем больше , тем больше мощности попадет непосредственно в нагрузку, поэтому величину называют коэффициентом мощности. Активную мощность мы определили ранее, а вот для реактивной мощности справедлива немного другая формула:

Ну а полная мощность переменного тока равна:

На сегодня на этом все, мы разобрались с понятиями работы и мощности электрического тока, до скорых встреч на нашем сайте!

Расчета тока по мощности формула, онлайн расчет

Подключение к бытовой или промышленной электрической сети потребителя, мощность которого больше той, на которую рассчитан кабель или провод чревато самыми неприятными, а порой и катастрофическими, последствиями. При правильной организации электропроводки внутри жилого помещения будут постоянно срабатывать автоматические выключатели или перегорать плавкие предохранители (пробки).

Если защита выполнена неправильно или вообще отсутствует, это может привести:

• к перегоранию питающего провода или кабеля;
• оплавлению изоляции и короткому замыканию между проводами;
• перегреву медных или алюминиевых кабельных жил провода и пожару.

Поэтому перед подключение потребителя к электросети желательно знать не только его паспортную электрическую мощность, но и потребляемый от сети ток.

Расчет потребляемой мощности

Формула расчета мощности по току и напряжению знакома еще из школьного курса физики. Расчет мощности электрического тока (в ваттах) для однофазной сети проводится по выражению:

Р=U×I×Cosφ

• в котором U – напряжение в вольтах
• I – ток в амперах;
• Cosφ – коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки.

Может возникнуть вопрос – а зачем нужна формула расчета мощности по току, когда ее можно узнать из паспорта подключаемого устройства? Определение электрических параметров, включая мощность и потребляемый ток необходим на стадии проектирования электропроводки. По максимальному току, протекающему в сети определяется сечение провода или кабеля. Для расчета тока по мощности можно использовать преобразованную формулу:

I=P/(U×Cosφ)

Коэффициент мощности зависит от типа нагрузки (активная или реактивная). При бытовых расчетах его величину рекомендуется принимать равной 0,90…0,95. Однако при подключении электроплит, обогревателей, ламп накаливания, нагрузка которых считается активной этот коэффициент можно считать равным 1.

Вышеприведенные формулы расчета мощности по току и напряжению можно использовать для однофазной сети напряжением 220,0 вольт. Для трехфазной сети они имеют несколько модифицированный вид.

Расчет мощности трехфазных потребителей

Определение потребляемой мощности для трехфазной сети имеет свою специфику. Формула расчёта мощности электрического тока трехфазных бытовых потребителей имеет вид:

Р=3,00,5 ×U×I×Cosφ или 1,73×U×I×Cosφ,

а величину тока можно рассчитать по выражению:

I=P/(1,73×U×Cosφ)

Особенности расчета

Вышеприведенные формулы предназначены для упрощенных бытовых расчетов. При определении действующих параметров необходимо учитывать реальное подключение. Характерный пример – расчет потребляемой мощности от аккумулятора. Так как ток в цепи протекает постоянный, то коэффициент мощности не учитывается, так как характер нагрузки не влияет на потребляемую мощность. И для активных и реактивных потребителей его значение принимают равным 1,0.

Вторым нюансом, который следует учитывать пи проведении бытовых электрических расчетов – реальное значение напряжения. Не секрет, что в сельской местности сетевое напряжение может колебаться в достаточно широких пределах. Поэтому пи использовании расчетных формул в них необходимо подставлять реальные значения параметров.

Еще сложнее задача расчета трехфазных потребителей. При определении протекающего тока в сети необходимо дополнительно учитывать вид подключения — «звезда» или «треугольник».

Формула мощности электрического тока

При создании новой проводки часто возникает необходимость рассчитать мощность электроприборов, находящихся в одной комнате или на одной линии. У многих людей с этим возникают проблемы. В этой статье мы разберем, какая формула мощности электрического тока используется для подсчета и как правильно ей пользоваться.

Введение

Подсчет мощности силы тока потребления необходим для того, чтобы правильно рассчитать сечение проводов, купить автоматы и защитить систему от перегрузок и возгорания. Расчет общей суммы также поможет владельцу правильно выбрать стабилизатор на вход в квартиру. Неверные расчеты могут привести к серьезным последствиям, поэтому внимательно отнеситесь к информации, описанной в нашей статье.

Рассчитываем силу тока

В работающей сети силу тока можно легко узнать при помощи мультиметра, переключив его в режим амперметра. Но этот вариант подходит только в том случае, если все уже работает. Мы же пытаемся сделать расчет согласно проекту, поэтому хитрость с амперметром нам не подходит.

Для чего нужно знать силу тока? Для правильного выбора сечения кабеля и автомата. Считается она по формуле I=P/(U×cosφ), где I — это сила тока, P — мощность прибора, U — напряжение в сети. Представленная выше формула справедлива для однофазной сети. Для трехфазной используется I=P/(1,73×U×cosφ). Косинус Фи в нашем случае показывает коэффициент мощности.

Пример: на одной линии висит холодильник мощностью 150 Вт, микроволновка (800 Вт), электрочайник (1300 Вт) и блендер (1500 Вт). Все это включено одновременно. Находим действующую силу тока: I=(150+800+1300+1500)/220*0.95=17.94 Ампера. Для подобной нагрузки необходим кабель на 2.5 мм2 и автомат на 25 Ампер.

Как найти мощность устройств, работающих на одной линии? Нужно сложить все паспортные данные на этих потребителей. Косинус Фи принят за 0,95, что является наиболее приближенным к реальности, хотя в некоторых случаях его принимают за 1.

Если в сеть подключаются “жирные” потребители, такие как бойлер, духовой шкаф, электрокотел или электрический твердый пол, то разумнее использовать коэффициент фи на уровне 0,8. Соответственно, для одной фазы считается напряжение на 220 вольт, для трех фаз — 380 вольт.

Немного теории

Теперь давайте рассмотрим действующую формулу электрической мощности. Прежде всего разберем, что это вообще такое. Мощностью называют скорость, с которой энергия перетекает из одного вида в другой, преобразуется или потребляется. Она измеряется в ваттах. Ток силой в один ампер обладает мощностью в один ватт при имеющейся разности потенциалов в один ватт.

Для подсчета используется формула P = I*U. Этот показатель показывает, сколько “кушает” прибор при работе.

Внимание: существуют различные виды мощности. Их необходимо отличать, чтобы правильно собрать проводку и рассчитать нормативы для закупки кабелей и автоматов

Виды

Существует два основных типа показателей:

1. Номинальная. Та, которую устройство потребялет за единицу времени. Для холодильника это 150 ватт, для микроволновки, в зависимости от настроек — 600-800 ватт, для лампочки 65 или 99 ватт и пр.
2. Стартовая. Формула расчета мощности этого типа не отличается от классической, несмотря на то, что стартовая может превышать на порядок номинальную. К примеру, тот же холодильник в момент старта потребляет до 2 кВт энергии, необходимой на запуск двигателя и всех систем.

Главное, что нужно знать о стартовой мощности — она временная и краткосрочная, но ее нужно обязательно учитывать при создании проводки. Обычно для этого делается запас. К примеру, кабель на 2,5 квадрата выдерживает до 4,5 кВт и на него ставится автомат на 25А. Поэтому, если у вас суммарный коэффициент по линии доходит до 4 или 4.3, то лучше не рисковать и поставить дополнительную линию, чем в один прекрасный момент ваша проводка просто сгорит.

Зная, чему равна мощность электрического тока для каждого устройства, находящегося на линии, выделите те, которые вполне могут работать одновременно. Почитайте о технических характеристиках своих устройств, после чего сложите мощность всех подключенных. Затем добавьте к получившемуся числу 30% на всякие тяги и помехи — вот это и станет запасом для стартовых неприятностей.

Интересное по теме:

Мощность бытовых электроприборов

На бытовых электроприборах обычно указана мощность. Некоторые светильники ограничивают мощность лампочек, которые в них можно использовать, например не более 60 ватт. Это сделано потому, что лампы более высокой мощности выделяют много тепла и светильник с патроном могут быть повреждены. Да и сама лампа при высокой температуре в светильнике прослужит недолго. В основном это проблема с лампами накаливания. Светодиодные, люминесцентные и другие лампы обычно работают с меньшей мощностью при одинаковой яркости и, если они используются в светильниках, предназначенных для ламп накаливания, проблем с мощностью не возникает.

Чем больше мощность электроприбора, тем выше потребление энергии, и стоимости использования прибора. Поэтому производители постоянно улучшают электроприборы и лампы. Световой поток ламп, измеряемый в люменах, зависит от мощности, но также и от вида ламп. Чем больше световой поток лампы, тем ярче выглядит ее свет. Для людей важна именно высокая яркость, а не потребляемая ламой мощность, поэтому в последнее время альтернативы лампам накаливания пользуются все большей популярностью. Ниже приведены примеры видов ламп, их мощности и создаваемый ими световой поток.

Общая теория

Электрическая мощность — это величина, отображающая скорость генерации, передачи или преобразования электрической энергии в другие виды энергии за единицу времени. Эта величина не существует сама по себе, а является характеристикой работы, производимой электрическими устройствами и машинами, такими как генераторы, нагреватели, электродвигатели, осветительные, электронные приборы. Например, чем мощнее электронагреватель, тем быстрее он преобразует 1 киловатт электроэнергии в 3600 килоджоулей тепла.

Основными характеристиками электрической цепи являются сила тока и напряжение, обозначаемые латинскими буквами I и U соответственно. Из этих двух величин вычисляются все остальные. Напряжение – это работа по перемещению заряда величиной 1 кулон, ток – количество кулонов, проходящих через сечение проводника за 1 секунду. Соответственно мощность – это отношение работы ко времени, в течение которого производилась работа или произведение напряжения на ток , где

• P – мощность, Вт (ватт);
• А – работа эл. тока, Дж (джоулей);
• t – время работы, секунд;
• U – напряжение, В (вольт)
• I — ток, А (ампер).

Как видно из формулы, мощность прямо пропорциональна току и напряжению, она напрямую зависит от их величины. Увеличение мощность произойдёт при повышении U или увеличения I. С величиной тока напрямую связана ещё одна характеристика электрической цепи – сопротивление . И тут действует один из важнейших законов – закон Ома, выражающийся соотношением . Таким образом, ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. С увеличением сопротивления, при неизменном напряжении, ток уменьшается и наоборот.

Презентация на тему РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. Транскрипт

1

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

2

РАБОТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику. Работа электрического тока равна произведению силы тока на напряжение и на время протекания тока в цепи. Единица измерения работы электрического тока в системе СИ: = 1 Дж = 1A B c

3

МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времени и равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена. (мощность в механике принято обозначать буквой N, в электротехнике буквой Р ) так как А = IUt, то мощность электрического тока равна: Единица мощности электрического тока в системе СИ: = 1 Вт (ватт) = 1 А. B

4

НАУЧИСЬ, ПРИГОДИТСЯ ! При расчетах работы электрического тока часто применяется внесистемная кратная единица работы электрического тока: 1 кВт·ч (киловатт-час). 1 кВт.ч = Вт.с = Дж В каждой квартире для учета израсходованной электроэнергии устанавливаются специальные приборы- счетчики электроэнергии, которые показывают работу электрического тока, совершенную за какой-то отрезок времени при включении различных бытовых электроприборов. Эти счетчики показывают работу электрического тока ( расход электроэнергии) в «кВт·ч». 1 кВт·ч энергии позволяет выплавить 20 т чугуна

5

ВАУ, ИНТЕРЕСНО В свое время в качестве единицы мощности Дж. Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила до наших дней. Но в Англии в 1882 г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить имя Дж. Уатта единице мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно прочесть на любой электрической лампочке. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения

6

Рассказывают, что… одну из паровых машин Уатта купил пивовар, чтобы заменить ею лошадь, которая приводила в действие водяной насос. При выборе необходимой мощности паровой машины пивовар определил рабочую силу лошади как восьмичасовую безостановочную работу до полного изнеможения лошади. Расчет показал, что каждую секунду лошадь поднимала 75 кг воды на высоту 1 метр, что и было принято за единицу мощности в 1 лошадиную силу.

7

ВСЕ БЕЖИМ К ЗАДАЧКАМ ! Две электрические лампы, мощность которых 40 и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение. Сравните по сопротивлениям нити накала обеих ламп. Комната освещена с помощью 40 электрических ламп от карманного фонаря, соединенных последовательно и питаемых от городской сети. После того как одна лампа перегорела, оставшиеся 39 снова соединили последовательно и включили в сеть. Когда в комнате было светлее: при 40 или 39 лампах? Последовательно соединенные медная и железная проволоки одинаковых длины и сечения подключены к аккумулятору. В какой из них выделится большее количество теплоты за одинаковое время?

8

Реши задачу В цепь с напряжением 125 В включена электрическая лампа, сила тока в которой 0,4 А. Найдите мощность тока в лампе.(Вычислите работу тока за 10 минут)

9

ПЛАН НАЗВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ РАСЧЕТНАЯ ФОРМУЛА ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

10

§§ Упр. 24, задача 1 Задание 7(2) — по желанию

11

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ Атмосферное электричество опасно проявлением в виде линейных разрядов (молний), которых возникает на нашей планете примерно 100 каждую секунду. Атмосферные электрические заряды могут иметь напряжение до 1 миллиарда вольт, а сила тока молнии достигать 200 тысяч ампер. Время существования молнии оценивается от 0,1 до 1 секунды. Температура достигает 6-10 тысяч градусов Цельсия. И если предположить, что электрическая энергия одной молнии может составлять 2500 квт/час, а одна семья из трех человек потребляет в месяц 250 квт/час электричества, то энергии одной молнии хватило бы, чтобы удовлетворить потребность этой семьи на 10 месяцев.

12

Теперь отдыхать !

Мощность в спорте

Оценивать работу с помощью мощности можно не только для машин, но и для людей и животных. Например, мощность, с которой баскетболистка бросает мяч, вычисляется с помощью измерения силы, которую она прикладывает к мячу, расстояния которое пролетел мяч, и времени, в течение которого эта сила была применена. Существуют сайты, позволяющие вычислить работу и мощность во время физических упражнений. Пользователь выбирает вид упражнений, вводит рост, вес, длительность упражнений, после чего программа рассчитывает мощность. Например, согласно одному из таких калькуляторов, мощность человека ростом 170 сантиметров и весом в 70 килограмм, который сделал 50 отжиманий за 10 минут, равна 39.5 ватта. Спортсмены иногда используют устройства для определения мощности, с которой работают мышцы во время физической нагрузки. Такая информация помогает определить, насколько эффективна выбранная ими программа упражнений.

Динамометры

Для измерения мощности используют специальные устройства — динамометры. Ими также можно измерять вращающий момент и силу. Динамометры используют в разных отраслях промышленности, от техники до медицины. К примеру, с их помощью можно определить мощность автомобильного двигателя. Для измерения мощности автомобилей используется несколько основных видов динамометров. Для того, чтобы определить мощность двигателя с помощью одних динамометров, необходимо извлечь двигатель из машины и присоединить его к динамометру. В других динамометрах усилие для измерения передается непосредственно с колеса автомобиля. В этом случае двигатель автомобиля через трансмиссию приводит в движение колеса, которые, в свою очередь, вращают валики динамометра, измеряющего мощность двигателя при различных дорожных условиях.

Этот динамометр измеряет крутящий момент, а также мощность силового агрегата автомобиля

Динамометры также используют в спорте и в медицине. Самый распространенный вид динамометров для этих целей — изокинетический. Обычно это спортивный тренажер с датчиками, подключенный к компьютеру. Эти датчики измеряют силу и мощность всего тела или отдельных групп мышц. Динамометр можно запрограммировать выдавать сигналы и предупреждения если мощность превысила определенное значение

Это особенно важно людям с травмами во время реабилитационного периода, когда необходимо не перегружать организм

Согласно некоторым положениям теории спорта, наибольшее спортивное развитие происходит при определенной нагрузке, индивидуальной для каждого спортсмена. Если нагрузка недостаточно тяжелая, спортсмен привыкает к ней и не развивает свои способности. Если, наоборот, она слишком тяжелая, то результаты ухудшаются из-за перегрузки организма. Физическая нагрузка во время некоторых упражнений, таких как велосипедный спорт или плавание, зависит от многих факторов окружающей среды, таких как состояние дороги или ветер. Такую нагрузку трудно измерить, однако можно выяснить с какой мощностью организм противодействует этой нагрузке, после чего изменять схему упражнений, в зависимости от желаемой нагрузки.

Автор статьи: Kateryna Yuri