Формула мощности тока. Фактическая и номинальная мощность. КПД электрического прибора. Что такое мощность тока и что она характеризует

Работа электрического тока

К цепи, представленной на рисунке 1, приложено постоянное напряжение U .

U = φ А – φ Б

За время t по цепи протекло количество электричества Q . Силы электрического поля, действующего вдоль проводника, перенесли за это время заряд Q из точки А в точку Б . Работа электрических сил поля или, что то же, работа электрического тока может быть подсчитана по формуле:

A = Q × (φ А – φ Б ) = Q × U ,

Так как Q = I × t , то окончательно:

A = U × I × t ,

где A – работа в джоулях; I – ток в амперах; t – время в секундах; U – напряжение в вольтах.

По закону Ома U = I × r . Поэтому формулу работы можно написать и так:

A = I 2 × r × t .

Мощность электрического тока

Работа, произведенная в единицу времени, называется мощностью и обозначается буквой P .

Из этой формулы имеем:

A = P × t .

Единица измерения мощности:

1 (Дж/сек) иначе называется ваттом (Вт). Подставляя в формулу мощности выражение для работы электрического тока, имеем:

P = U × I (Вт).

Формула мощности электрического тока может быть выражена также через потребляемый ток и сопротивление потребителя:

Кроме ватта, на практике применяются более крупные единицы измерения электрической мощности. Электрическая мощность измеряется в:

100 Вт = 1 гектоватт (гВт);
1000 Вт = 1 киловатт (кВт);
1000000 Вт = 1 мегаватт (МВт).

Электрическая мощность измеряется специальным прибором – ваттметром. Ваттметр имеет две обмотки (катушки): последовательную и параллельную. Последовательная катушка является токовой и включается последовательно с нагрузкой на участке цепи, где производятся измерения, а параллельная катушка – это катушка напряжения, она соответственно включается параллельно этой нагрузке. Принцип действия ваттметра основан на взаимодействии двух магнитных потоков создаваемых током, протекающим по обмотке подвижной катушки (токовой катушки), и током, проходящим по неподвижной катушке (катушке напряжения). При прохождении измеряемого тока по обмотке подвижной и неподвижной катушек образуются два магнитных поля, при взаимодействии которых подвижная катушка стремится расположится так, чтобы направление ее магнитного поля совпадало с направлением магнитного поля неподвижной катушки. Вращающему моменту противодействует момент, созданный спиральными пружинками, через которые в подвижную катушку проводится измеряемый ток. Противодействующий момент пружинок прямо пропорционален углу поворота катушки. Стрелка, укрепленная на подвижной катушке, указывает значение измеряемой величины. Схема включения ваттметра показана на рисунке 2.

Если вы решили измерить потребляемую мощность, какой либо имеющейся у вас нагрузки, и при этом у вас отсутствует ваттметр, вы можете "изготовить" ваттметр своими руками. Из формулы P = I × U видно, что мощность, потребляемую в сети, можно определить, умножив ток на напряжение. Поэтому для определения мощности, потребляемой из сети, следует использовать два прибора, вольтметр и амперметр. Измерив амперметром потребляемый ток и вольтметром напряжение питающей сети, необходимо показание амперметра умножить на показание вольтметра.

Так, например, мощность, потребляемая сопротивлением r , при показании амперметра 3 А и вольтметра 220 В будет:

P = I × U = 3 × 220 = 660 Вт.

Для практических измерений электрической работы (энергии) джоуль является слишком мелкой единицей.

Если время t подставлять не в секундах, а в часах, то получим более крупные единицы электрической энергии:

1 Дж = 1 Вт × сек;
1 Вт × ч = 3600 ватт × секунд = 3600 Дж;
100 Вт × ч = 1 гектоватт × час (гВт × ч);
1000 Вт × ч = 1 киловатт × час (кВт × ч).

Электрическая энергия измеряется счетчиками электрической энергии.

Видео 1. Работа и мощность электрического тока

Видео 2. Еще немного о мощности

Пример 1. Определить мощность, потребляемую электрическим двигателем, если ток в цепи равен 8 А и двигатель включен в сеть напряжением 220 В.

P = I × U = 8 × 220 = 1760 Вт = 17,6 гВт = 1,76 кВт.

Пример 2. Какова мощность, потребляемая электрической плиткой, если плитка берет из сети ток в 5 А, а сопротивление спирали плитки равно 24 Ом?

P = I 2 × r = 25 × 24 = 600 Вт = 6 гВт = 0,6 кВт.

При переводе механической мощности в электрическую и обратно необходимо помнить, что
1 лошадиная сила (л. с.) = 736 Вт;
1 киловат (кВт) = 1,36 л. с.

Пример 3. Определить энергию, расходуемую электрической плиткой мощностью 600 Вт в течение 5 часов.

A = P × t = 600 × 5 = 3000 Вт × ч = 30 гВт × ч = 3 кВт × ч

Пример 4. Определить стоимость горения двенадцати электрических ламп в течение месяца (30 дней), если четыре из них по 60 Вт горят по 6 часов в сутки, а остальные восемь ламп по 25 Вт горят по 4 часа в сутки. Цена за энергию (тариф) 2,5 рубля за 1 кВт × ч.

Мощность четырех ламп по 60 Вт.

P = 60 × 4 = 240 Вт.

t = 6 × 30 = 180 часов.

A = P × t = 240 × 180 = 43200 Вт × ч = 43,2 кВт × ч.

Мощность остальных восьми ламп по 25 Вт.

P = 25 × 8 = 200 Вт.

Число часов горения этих ламп в месяц:

t = 4 × 30 = 120 часов.

Энергия, расходуемая этими лампами:

A = P × t = 200 × 120 = 24000 Вт × ч = 24 кВт × ч.

Общее количество расходуемой энергии:

43,2 + 24 = 67,2 кВт × ч

Стоимость всей потребленной энергии:

67,2 × 2,5 = 168 рублей.

Прохождение электрического тока через любую проводящую среду объясняется наличием в ней некоторого количества носителей заряда: электронов – для металлов, ионов – в жидкостях и газах. Как найти её величину, определяет физика силы тока.

В спокойном состоянии носители движутся хаотично, но при воздействии на них электрического поля движение становится упорядоченным, определяемым ориентацией этого поля – возникает сила тока в проводнике. Количество носителей, участвующих в переносе заряда, определяется физической величиной – силой тока.

От концентрации и заряда частиц-носителей, или количества электричества, напрямую зависит сила тока, проходящего через проводник. Если принять во внимание время, в течение которого это происходит, тогда узнать, что такое сила тока, и как она зависит от заряда, можно, используя соотношение:

Входящие в формулу величины:

• I – сила электрического тока, единицей измерения является ампер, входит в семь основных единиц системы Си. Понятие «электрический ток» ввёл Андре Ампер, единица названа в честь этого французского физика. В настоящее время определяется как ток, вызывающий силу взаимодействия 2×10-7 ньютона между двумя параллельными проводниками, при расстоянии 1 метр между ними;
• Величина электрического заряда, применённая здесь для характеристики силы тока, является производной единицей, измеряется в кулонах. Один кулон – это заряд, проходящий через проводник за 1 секунду при токе 1 ампер;
• Время в секундах.

Сила тока через заряд может вычисляться с применением данных о скорости и концентрации частиц, угла их движения, площади проводника:

I = (qnv)cosαS.

Также используется интегрирование по площади поверхности и сечению проводника.

Определение силы тока с использованием величины заряда применяется в специальных областях физических исследований, в обычной практике не используется.

Связь между электрическими величинами устанавливается законом Ома, который указывает на соответствие силы тока напряжению и сопротивлению:

Сила электрического тока здесь как отношение напряжения в электрической цепи к её сопротивлению, эти формулы используются во всех областях электротехники и электроники. Они верны для постоянного тока с резистивной нагрузкой.

В случае косвенного расчета для переменного тока следует учитывать, что измеряется и указывается среднеквадратичное (действующее) значение переменного напряжения, которое меньше амплитудного в 1,41 раза, следовательно, максимальная сила тока в цепи будет больше во столько же раз.

При индуктивном или емкостном характере нагрузки вычисляется комплексное сопротивление для определённых частот – найти силу тока для такого рода нагрузок, используя значение активного сопротивления постоянному току, невозможно.

Так, сопротивление конденсатора постоянному току практически бесконечно, а для переменного:

Здесь RC – сопротивление того же конденсатора ёмкостью С, на частоте F, которое во многом зависит от его свойств, сопротивления разных типов ёмкостей для одной частоты значительно различаются. В таких цепях сила тока по формуле, как правило, не определяется – используются различные измерительные приборы.

Для нахождения значения силы тока при известных значениях мощности и напряжения, применяются элементарные преобразования закона Ома:

Тут сила тока – в амперах, сопротивление – в омах, мощность – в вольт-амперах.

Электрический ток имеет свойство разделяться по разным участкам цепи. Если их сопротивления различны, то и сила тока будет разной на любом из них, так находим общий ток цепи.

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:

• 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:

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,

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».

Электроэнергия давно используется человеком для удовлетворения своих потребностей, но она невидима, не воспринимается органами чувств, потому сложна для понимания. С целью упрощения объяснения электрических процессов их довольно часто сравнивают с гидравлическими характеристиками движущейся жидкости.

Например, к нам в квартиру приходит по проводам от далеко расположенных генераторов и вода по трубе от создающего давление насоса. Однако, отключенный выключатель не позволяет светиться лампочкам, а закрытый водопроводный кран - литься воде из крана. Чтобы совершалась работа надо включить выключатель и открыть кран.

Направленный поток свободных электронов по проводам устремится к нити накала лампочки (пойдет электрический ток) , которая станет излучать свет. Вода, вытекающая из крана, будет стекать в раковину.

Эта аналогия позволяет также понимать количественные характеристики, ассоциировать силу тока со скоростью перемещения жидкости, оценивать другие параметры.

Напряжение электросети сравнивают с потенциалом энергии источника жидкости. К примеру, возрастание гидравлического давления насосом в трубе создаст большую скорость перемещения жидкости, а увеличение напряжения (или разности между потенциалами фазы - входящего провода и рабочего нуля - отходящего) усилит накал лампочки, силу ее излучения.

Сопротивление электрической схемы сопоставляют с силой торможения гидравлическому потоку. На скорость перемещения потока влияют:

вязкость жидкости;

засоренность и изменение сечения каналов. (В случае с водопроводным краном - положение регулирующего вентиля.)

На величину электрического сопротивления влияет несколько факторов:

строение вещества, определяющее наличие свободных электронов в проводнике и влияющее на ;

площадь поперечного сечения и длина токовода;

температура.

Электрическую мощность тоже сравнивают с энергетическими возможностями потока в гидравлике и оценивают по выполненной работе в единицу времени. Мощность электроприбора выражается через потребляемый ток и подведенное напряжение (для цепей переменного и постоянного тока).

Все эти характеристики электроэнергии исследованы известными учеными, которые дали определения току, напряжению, мощности, сопротивлению и описали математическими методами взаимные связи между ними.

В приведенной таблице показаны общие соотношения для цепей постоянного и переменного тока, которые можно применять для анализа работы конкретных схем.

Рассмотрим несколько примеров их использования.

Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом.

На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.

Согласно действию закона Джоуля - Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой (11) в приведенной таблице.

Рассчитываем: Р=24х0,5=12 Вт.

Это же значение получим, если воспользуемся формулами (10) или (12).

Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит.

Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.

Для группы розеток, предназначенных для питания бытовых электроприборов на кухне, необходимо подобрать защитный автоматический выключатель. Мощности приборов по паспортным данным составляют 2,0, 1,5 и 0,6 кВт.

Решение.В квартире используется однофазная переменная сеть 220 вольт. Общая мощность всех приборов, подключенных в работу одновременно, составит 2,0+1,5+0,6=4,1 кВт=4100 Вт.

По формуле (2) определим общий ток группы потребителей: 4100/220=18,64 А.

Ближайший по номиналу автоматический выключатель имеет величину срабатывания 20 ампер. Его и выбираем. Автомат меньшего значения на 16 А будет постоянно отключаться от перегрузки.

Отличия параметров электросхем на переменном токе

Однофазные сети

При анализе параметров электроприборов следует учитывать особенности их работы в цепях переменного тока, когда, благодаря влиянию промышленной частоты у конденсаторов возникают емкостные нагрузки (сдвигают вектор тока на 90 градусов вперед от вектора напряжения), а у обмоток катушек - индуктивные (ток на 90 градусов отстает от напряжения). В электротехнике их называют . Они в комплексе создают реактивные потери мощности «Q», которые не выполняют полезной работы.

На активных нагрузках отсутствует сдвиг фазы между током и напряжением.

Таким образом, к активной величине мощности электроприбора в цепях переменного тока добавляется реактивная составляющая, за счет которой увеличивается общая мощность, которую принято называть полной и обозначать индексом «S».

Электрический ток и напряжение промышленной частоты меняются во времени по синусоидальному закону. Соответственно этому происходит изменение мощности. Определять их параметры в различные мгновенные моменты времени не имеет особого смысла. Поэтому выбирают суммарные (интегрирующие) значения за определенный временной промежуток, как правило - период колебания Т.

Знание отличий параметров цепей для переменного и постоянного тока позволяет правильно рассчитывать мощность через ток и напряжение в каждом конкретном случае.

Трехфазные сети

В принципе они состоят из трех одинаковых однофазных цепей, сдвинутых друг относительно друга на комплексной плоскости на 120 градусов. Они немного отличаются нагрузками в каждой фазе, сдвигающими ток от напряжения на угол фи. За счет этой неравномерности создается ток I0 в нулевом проводе.

Напряжение в этой системе состоит из напряжений в фазах (220 В) и линейных (380 В).

Мощность прибора трехфазного тока, подключенного к схеме, складывается из составляющих в каждой фазе. Ее измеряют с помощью специальных приборов: ваттметров (активная составляющая) и варметров (реактивная). Рассчитать полную мощность потребления прибора трехфазного тока можно на основе замеров ваттметра и варметра с использованием формулы треугольника.

Существует еще косвенный метод измерения, основанный на использовании вольтметра и амперметра с последующими вычислениями полученных значений.

Электричество само по себе невидимо, хотя от этого его опасность ничуть не меньше. Даже наоборот: как раз потому и опаснее. Ведь если бы мы его видели, как видим, например, воду, льющуюся из крана, то наверняка бы избежали множества неприятностей.

Вода. Вот она, водопроводная труба, и вот закрытый кран. Ничего не течет, не капает. Но мы точно знаем: внутри вода. И если система исправно работает, то вода эта там находится под давлением. 2, 3 атмосферы, или сколько там? Неважно. Но давление там есть, иначе система бы не работала. Где-то гудят насосы, гонят воду в систему, создают это самое давление.

А вот наш провод электрический. Где-то далеко, на другом конце тоже гудят генераторы, вырабатывают электричество. И в проводе от этого тоже давление... Нет-нет, не давление, конечно, тут в этом проводе напряжение . Оно тоже измеряется, но в своих единицах: в вольтах.

Давит в трубах на стенки вода, никуда не двигаясь, ждет, когда найдется выход, чтобы ринуться туда мощным потоком. И в проводе молча ждет напряжение, когда замкнется выключатель, чтобы потоки электронов двинулись выполнять свое предназначение.

И вот открылся кран, потекла струя воды. По всей трубе течет, двигаясь от насоса к расходному крану. А как только замкнулись контакты выключателя, в проводах потекли электроны. Что это за движение? Это ток . Электроны текут . И это движение, этот ток тоже имеет свою единицу измерения: ампер.

И еще есть сопротивление . Для воды это, образно говоря, размер отверстия в выпускном кране. Чем больше отверстие, тем меньше сопротивление движению воды. В проводах почти также: чем больше сопротивление провода, тем меньше ток.

Вот, как-то так, если образно представлять себе основные характеристики электричества. А с точки зрения науки все строго: существует так называемый закон Ома. Гласит он следующим образом: I = U/R .
I - сила тока. Измеряется в амперах.
U - напряжение. Измеряется в вольтах.
R - сопротивление. Измеряется в омах.

Есть еще одно понятие - мощность, W. С ним тоже просто: W = U*I . Измеряется в ваттах.

Собственно, это вся необходимая и достаточная для нас теория. Из этих четырех единиц измерения в соответствии с вышеприведенными двумя формулами можно вывести некоторое множество других:

№	Задача	Формула	Пример
1	Узнать силу тока, если известны напряжение и сопротивление.	I = U/R	I = 220 в / 500 ом = 0.44 а.
2	Узнать мощность, если известны ток и напряжение.	W = U*I	W = 220 в * 0.44 а = 96.8 вт.
3	Узнать сопротивление, если известны напряжение и ток.	R = U/I	R = 220 в / 0.44 а = 500 ом.
4	Узнать напряжение, если известны ток и сопротивление.	U = I*R	U = 0.44 а * 500 ом = 220 в.
5	Узнать мощность, если известны ток и сопротивление.	W = I 2 *R	W = 0.44 а * 0.44 а * 500 ом = 96.8 вт.
6	Узнать мощность, если известны напряжение и сопротивление.	W = U 2 /R	W = 220 в * 220 в / 500 ом = 96.8 вт.
7	Узнать силу тока, если известны мощность и напряжение.	I = W/U	I = 96.8 вт / 220 в = 0,44 а.
8	Узнать напряжение, если известны мощность и ток.	U = W/I	U = 96.8 вт / 0.44 а = 220 в.
9	Узнать сопротивление, если известны мощность и напряжение.	R = U 2 /W	R = 220 в * 220 в / 96.8 вт = 500 ом.
10	Узнать сопротивление, если известны мощность и ток.	R = W/I 2	R = 96.8 вт / (0,44 а * 0,44 а) = 500 ом.

Ты скажешь: - Зачем мне это все надо? Формулы, цифры... Я ж не собираюсь заниматься расчетами.

А я так отвечу: - Перечитай предыдущую статью . Как можно быть уверенным, не зная простейших истин и расчетов? Хотя, собственно, в бытовом практическом плане наиболее интересна только формула 7, где определяется сила тока при известных напряжении и мощности. Как правило, эти 2 величины известны, а результат (сила тока) безусловно необходим для определения допустимого сечения провода и для выбора защиты .

Есть еще одно обстоятельство, о котором следует упомянуть в контексте этой статьи. В электроэнергетике используется так называемый "переменный" ток. То есть, те самые электроны движутся в проводах не всегда в одном направлении, они постоянно меняют его: вперед-назад-вперед-назад... И эта смена направления движения - 100 раз в секунду.

Погоди, но ведь везде говорится, что частота 50 герц! Да, именно так и есть. Частота измеряется в количестве периодов за секунду, но в каждом периоде ток меняет свое направление дважды. Иначе сказать, в одном периоде две вершины, которые характеризуют максимальное значение тока (положительное и отрицательное), и именно в этих вершинах происходит смена направления.

Не будем вдаваться в подробности более глубоко, но все же: почему именно переменный, а не постоянный ток?

Вся проблема в передаче электроэнергии на большие расстояния. Тут как раз вступает в силу неумолимый закон Ома. При больших нагрузках, если напряжение 220 вольт, сила тока может быть очень большой. Для передачи электроэнергии с таким током потребуются провода очень большого сечения.

Выход здесь только один: поднять напряжение. Седьмая формула говорит: I = W/U . Совершенно очевидно, что если мы будем подавать напряжение не 220 вольт, а 220 тысяч вольт, то сила тока уменьшится в тысячу раз. А это значит, что сечение проводов можно взять намного меньше.

Поиск по сайту.
Вы можете изменить поисковую фразу.