Що таке параметр потужності в електроланцюзі. Частина 1

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру осцилографів на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

Потужність в електричних ланцюгах

Крім напруги та струму є ще один важливий параметр, пов'язаний з електричними ланцюгами: потужність. По-перше, нам потрібно зрозуміти, що таке потужність, перш ніж аналізувати її у будь-яких схемах. 

Що таке потужність та як її виміряти?

Потужність – це захід того, який обсяг роботи можна виконати за певний проміжок часу. Робота зазвичай визначається як підйом вантажу проти сили тяжіння. Чим важчий вантаж і/або чим вище його піднято, тим більше роботи було зроблено. Потужність — це міра того, як швидко виконується стандартний обсяг роботи.

В американських автомобілях потужність двигуна вимірюється в одиниці під назвою «кінська сила», спочатку винайденої виробниками парових двигунів для кількісної оцінки працездатності своїх машин з погляду найпоширенішого джерела енергії на той час: коней.

Одна кінська сила визначається у британських одиницях як 550 футо-фунтів роботи за секунду часу. Потужність двигуна автомобіля не вказуватиме, на яку висоту пагорб він може піднятися або яку вагу він може буксирувати, але вона покаже, наскільки швидко він може піднятися на певний пагорб або буксирувати певний вантаж.

Потужність механічного двигуна залежить як від частоти обертання двигуна, так і від моменту, що крутить, що передається на вихідний вал. Швидкість вихідного валу двигуна вимірюється в обертах за хвилину або об/хв.

Крутний момент - це величина скручує сили, що створюється двигуном, і зазвичай вимірюється в фунт-футах або фунт-футах (не плутати з фут-фунтами або фут-фунтами, які є одиницею роботи). Ні швидкість, ні момент, що крутить, самі по собі не є мірою потужності двигуна.

Дизельний двигун трактора потужністю 100 кінських сил обертається відносно повільно, але забезпечує великий момент, що крутить. Мотоциклетний двигун потужністю 100 кінських сил обертається дуже швидко, але забезпечує відносно невеликий момент, що крутить. Обидва будуть виробляти 100 кінських сил, але на різних швидкостях і з різним моментом, що крутить.

Рівняння потужності на валу просте: 

Зверніть увагу, що у правій частині рівняння є лише два принципи члена, S і T. Всі інші члени в цій частині засновані на: 2, pi та 33 000 – всі константи (вони не змінюються залежно від обставин). Потужність змінюється тільки при збереженні швидкості та крутого моменту, більше нічого.

Мы можем переписать уравнение, чтобы показать эту зависимость: 

Оскільки одиниця виміру «кінська сила» не збігається точно зі швидкістю в обертах за хвилину, помноженою на крутний момент у фунт-футах, ми не можемо сказати, що кінська сила дорівнює ST. Однак вони є пропорційними один одному. У міру зміни математичного твору ST значення потужності в кінських силах змінюватиметься у тій самій пропорції.

Потужність як функція напруги та струму

В електричних ланцюгах потужність є функцією напруги та струму. Не дивно, що ця залежність має вражаючу схожість із наведеною вище формулою «пропорційної» потужності:

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, скорочено позначений буквою "Вт".

Необхідно розуміти, що ні напруга, ні струм власними силами не є потужністю. Швидше, потужність це комбінація напруги і струму в ланцюгу. Пам'ятайте, що напруга – це питома робота (або потенційна енергія) на одиницю заряду, а струм – це швидкість, з якою електричні заряди рухаються провідником.

Напруга (питома робота) аналогічна роботі, що здійснюється під час підйому вантажу проти сили тяжіння. Струм (швидкість) аналогічний швидкості, з якою піднімається ця вага. Разом як добуток (множення), напруга (робота) та струм (швидкість) становлять потужність.

Як і у випадку з дизельним двигуном трактора та двигуном мотоцикла, ланцюг з високою напругою та малим струмом може розсіювати таку ж кількість потужності, як і ланцюг з низькою напругою та великим струмом. Ні величина напруги як така, ні величина струму власними силами вказують на кількість потужності в електричної ланцюга.

Живлення при обриві/короткому замиканні

У розімкнутому ланцюгу, де між висновками джерела присутня напруга і струм дорівнює нулю, потужність, що розсіюється, дорівнює нулю, незалежно від того, наскільки велика ця напруга. Оскільки P=IE і I=0, а все, що помножено на нуль, дорівнює нулю, потужність, що розсіюється в будь-якому розімкнутому ланцюгу, повинна дорівнювати нулю.

Аналогічно, якби у нас було коротке замикання, що складається з петлі надпровідного дроту (абсолютно нульовий опір), ми могли б мати стан струму в петлі з нульовою напругою, і аналогічним чином потужність не розсіювалася б. Оскільки P=IE і E=0, а все, що помножено на нуль, дорівнює нулю, потужність, що розсіюється в надпровідному контурі, повинна дорівнювати нулю. (Ми досліджуватимемо тему надпровідності в одному з наступних розділів).

Як потужність у кінських силах пов'язана з ватами?

Незалежно від того, чи вимірюємо потужність в одиницях «кінська сила» або «ват», ми все одно говоримо про одне й те саме: який обсяг роботи можна виконати за певний проміжок часу. Ці дві одиниці чисельно не рівні, але вони виражають те саме.

Фактично, європейські виробники автомобілів зазвичай рекламують потужність свого двигуна в кіловатах (кВт) або тисячах ват, а не в кінських силах! Ці дві одиниці потужності пов'язані один з одним простою формулою перетворення:

Таким чином, наші 100-сильні дизельні та мотоциклетні двигуни також можуть бути оцінені як двигуни 74570 Вт або, точніше, як двигуни 74,57 кВт. У європейських технічних специфікаціях цей рейтинг буде скоріше нормою, ніж винятком.

ОГЛЯД:

• Потужність – це міра того, який обсяг роботи можна виконати за певний проміжок часу.

• Механічна потужність зазвичай вимірюється (в Америці) у «кінських силах».

• Електрична потужність майже завжди вимірюється у Ват і може бути розрахована за формулою P = IE.

• Електрична потужність – це напруга і струм, а не кожного з них окремо.

• Кінська потужність та вати – це просто дві різні одиниці виміру одного і того ж виду фізичних вимірів: 1 кінська сила дорівнює 745,7 Вт.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy