Что такое параметр мощности в электроцепях. Часть 1

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру осциллографов на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования  

Мощность в электрических цепях

Помимо напряжения и тока, есть еще один важный параметр, связанный с электрическими цепями: мощность. Во-первых, нам нужно понять, что такое мощность, прежде чем анализировать ее в каких-либо схемах. 

Что такое мощность и как ее измерить?

Мощность – это мера того, какой объем работы можно выполнить за определенный промежуток времени. Работа обычно определяется как подъем груза против силы тяжести. Чем тяжелее груз и/или чем выше он поднят, тем больше работы было проделано. Мощность — это мера того, насколько быстро выполняется стандартный объем работы.

В американских автомобилях мощность двигателя измеряется в единице под названием «лошадиная сила», изначально изобретенной производителями паровых двигателей для количественной оценки работоспособности своих машин с точки зрения наиболее распространенного источника энергии того времени: лошадей.

Одна лошадиная сила определяется в британских единицах как 550 футо-фунтов работы в секунду времени. Мощность двигателя автомобиля не будет указывать, на какую высоту холм он может подняться или какой вес он может буксировать, но она покажет, насколько быстро он может подняться на определенный холм или буксировать определенный груз.

Мощность механического двигателя зависит как от частоты вращения двигателя, так и от крутящего момента, передаваемого на выходной вал. Скорость выходного вала двигателя измеряется в оборотах в минуту или об/мин.

Крутящий момент — это величина скручивающей силы, создаваемой двигателем, и обычно измеряется в фунт-футах или фунт-футах (не путать с фут-фунтами или фут-фунтами, которые являются единицей работы). Ни скорость, ни крутящий момент сами по себе не являются мерой мощности двигателя.

Дизельный двигатель трактора мощностью 100 лошадиных сил вращается относительно медленно, но обеспечивает большой крутящий момент. Мотоциклетный двигатель мощностью 100 лошадиных сил вращается очень быстро, но обеспечивает относительно небольшой крутящий момент. Оба будут производить 100 лошадиных сил, но на разных скоростях и с разным крутящим моментом. 

Уравнение мощности на валу простое: 

Обратите внимание, что в правой части уравнения есть только два принципа члена, S и T. Все остальные члены в этой части основаны на: 2, pi и 33 000 — все константы (они не изменяются в зависимости от обстоятельств). Мощность меняется только при сохранении скорости и крутого момента, больше ничего.

Мы можем переписать уравнение, чтобы показать эту зависимость: 

Поскольку единица измерения «лошадиная сила» не совпадает точно со скоростью в оборотах в минуту, умноженной на крутящий момент в фунт-футах, мы не можем сказать, что лошадиная сила равна ST. Однако они пропорциональны друг другу. По мере изменения математического произведения ST значение мощности в лошадиных силах будет меняться в той же пропорции.

Мощность как функция напряжения и тока

В электрических цепях мощность является функцией напряжения и тока. Неудивительно, что эта зависимость имеет поразительное сходство с приведенной выше формулой «пропорциональной» мощности: 

Однако в этом случае мощность (P) точно равна току (I), умноженному на напряжение (E), а не просто пропорциональна IE. При использовании этой формулы единицей измерения мощности является ватт, сокращенно обозначаемый буквой «Вт».

Необходимо понимать, что ни напряжение, ни ток сами по себе не являются мощностью. Скорее, мощность — это комбинация напряжения и тока в цепи. Помните, что напряжение — это удельная работа (или потенциальная энергия) на единицу заряда, а ток — это скорость, с которой электрические заряды движутся по проводнику.

Напряжение (удельная работа) аналогично работе, совершаемой при подъеме груза против силы тяжести. Ток (скорость) аналогичен скорости, с которой поднимается этот вес. Вместе как произведение (умножение), напряжение (работа) и ток (скорость) составляют мощность.

Как и в случае с дизельным двигателем трактора и двигателем мотоцикла, цепь с высоким напряжением и малым током может рассеивать такое же количество мощности, как и цепь с низким напряжением и большим током. Ни величина напряжения сама по себе, ни величина тока сами по себе не указывают на количество мощности в электрической цепи.

Питание при обрыве/коротком замыкании

В разомкнутой цепи, где между выводами источника присутствует напряжение и ток равен нулю, рассеиваемая мощность равна нулю, независимо от того, насколько велико это напряжение. Поскольку P=IE и I=0, а все, что умножено на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в любой разомкнутой цепи, должна быть равна нулю.

Аналогично, если бы у нас было короткое замыкание, состоящее из петли сверхпроводящего провода (абсолютно нулевое сопротивление), мы могли бы иметь состояние тока в петле с нулевым напряжением, и аналогичным образом мощность не рассеивалась бы. Поскольку P=IE и E=0, а все, что умножено на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в сверхпроводящем контуре, должна быть равна нулю. (Мы будем исследовать тему сверхпроводимости в одной из следующих глав).

Как мощность в лошадиных силах связана с ваттами?

Независимо от того, измеряем ли мы мощность в единицах «лошадиная сила» или «ватт», мы все равно говорим об одном и том же: какой объем работы можно выполнить за определенный промежуток времени. Эти две единицы численно не равны, но они выражают одно и то же.

Фактически, европейские производители автомобилей обычно рекламируют мощность своего двигателя в киловаттах (кВт) или тысячах ватт, а не в лошадиных силах! Эти две единицы мощности связаны друг с другом простой формулой преобразования:

 Таким образом, наши 100-сильные дизельные и мотоциклетные двигатели также могут быть оценены как двигатели «74570 Вт» или, точнее, как двигатели «74,57 кВт». В европейских технических спецификациях этот рейтинг будет скорее нормой, чем исключением..

ОБЗОР:

• Мощность – это мера того, какой объем работы можно выполнить за определенный промежуток времени.

• Механическая мощность обычно измеряется (в Америке) в «лошадиных силах».

• Электрическая мощность почти всегда измеряется в ваттах и может быть рассчитана по формуле P = IE.

• Электрическая мощность – это произведение напряжения и тока, а не каждого из них по отдельности.

• Лошадиная мощность и ватты — это просто две разные единицы измерения одного и того же вида физических измерений: 1 лошадиная сила равна 745,7 Вт.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик осциллографов в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy