Электрическая мощность. Расчет и измерение. Особенности

Электрическая мощность в общем случае определяется величиной проделанной рабочим током за выбранную единицу времени. Этот показатель распространяет свое действие не только на силовые электрические цепи, но и на подключенную к источнику электроэнергии нагрузку. Его величина, как правило, указывается для большинства бытовых приборов (значение потребляемой мощности может быть приведено в документации или обозначено прямо на корпусе изделия).

Как обозначается и в чем измеряется электрическая мощность

Показателю мощности присваивается стандартное обозначение «P», а совершаемая в цепи и нагрузке работа обозначается как «А». Если времени, в течение которого действует эта энергия, присвоить значок «t» – выражение для полезной мощности в электрической линии примет следующий вид:

P = А/t

Чтобы в полной мере представить себе, что такое электрическая мощность – потребуется рассмотреть цепочку из постоянного источника и пары проводов с подключенной к ним нагрузкой. В качестве потребителя в этой схеме могут использоваться, например, резисторы любого типа, электродвигатели или осветительная лампочка.

Из школьного курса физики известно, что действующее между линейными проводами и на нагрузке напряжение U находится по следующей формуле:

U = A/q

Где:

A – работа электрического поля по переносу заряженных частиц.
q – величина суммарного заряда, определяемая как:

q = It

Получить выражение для работы удается, если подставить значение q в формулу напряжения. В итоге получается:

A = Uq =UIt

Если теперь разделить обе части этого равенства на t – получится следующее выражение для мощности:

P = UI

В окончательном виде формула для вычисления P трактуется так: Для нахождения показателя мощности, рассеиваемой в проводах или потребляемой нагрузкой, необходимо величину тока в них умножить на значение действующего напряжения.

Из представленной формулы легко находятся и другие электрические характеристики замкнутой цепи. Так, выражение для напряжения принимает следующий вид:

U = P/I

А величину тока можно найти из следующего соотношения:

I = P/U

Из нее также можно заключить, что мощность электрического тока имеет размерность (Ампер) х (Вольт).

Единицы измерения

В системе единиц СИ электрическая мощность измеряется в ваттах (Вт = Дж/c.). Согласно полученному ранее соотношению:

P = UI (1 ватт соответствует 1 вольту, умноженному на 1 Ампер (Вт = ВА)).

Для измерения величин мощностей, в кратное число раз меньших или больших одного ватта, используются такие единицы, как милливатт (мВт), киловатт (кВт) и мегаватт (МВт). Между собой они соотносятся следующим образом:

• 1 мВт = 0,01 Вт.
• 1 кВт = 1000 Вт.
• 1 МВт = 1000000 Вт.

Для измерения микроскопически малых мощностей применяется единица, называемая микроваттом (1мкВт=10 в минус шестой ватта).

Физическое объяснение зависимости мощности от тока в нагрузке и напряжения на ней

При протекании тока по активному сопротивлению в нем проделывается работа по перемещению электрических зарядов. Одновременно с этим происходит рассеяние тепловой энергии за счет столкновения движущихся зарядов с микроскопическими частицами вещества, составляющих его внутреннюю структуру.

В нагрузке также проделывается определенный объем работы, при котором энергия электрического поля расходуется на один из следующих процессов:

• Нагревание (электрические плитки и печи).
• Освещение (лампы различного типа).
• Механическое вращение или перемещение (двигатели с приводными механизмами).
• Зарядка батарей и аккумуляторов.
• Гальванизация и электролиз.
• Функционирование холодильных установок, электронных схем и т. п.

Поскольку электрическая мощность прямо пропорциональна работе (P = А/t) – она неразрывно связана с величиной I, входящей в этот показатель. С его увеличением мощность, потребляемая нагрузкой, также возрастает.

Та же зависимость наблюдается и при сопоставлении показателя P с напряжением. При увеличении U пропорционально возрастает проделываемая током работа, поскольку действующая на перемещающиеся заряды электродвижущая сила становится больше по величине.

Представление мощности через сопротивление цепи (нагрузки)

Для получения выражения мощности через сопротивление R рабочей цепи потребуется вспомнить, что согласно закону Ома, ток в ней выражается так:

I = U/R

В этом случае формула для мощности приобретает следующий вид:

P = UI= U2/R

Или по другому:

P = I2R

Вторую формулу (P = I2R) удобнее применять для расчета электрических цепочек с последовательным соединением отдельных элементов или нагрузок. Это объясняется тем, что в данном случае ток во всей замкнутой цепи имеет одно и то же значение. При наличии в линии параллельных цепочек из проводников с собственным сопротивлением работу электрического тока и его мощность удобнее находить через предварительно рассчитанную проводимость элементов 1/R. Поэтому в данном случае обычно применяется формула (P = U2/R).

При смешанном (последовательно-параллельном) соединении нагрузок или приборов в цепи электрическая мощность определяется в два этапа. Сначала рассчитывается показатель для параллельных цепочек, а затем полученные результаты просто складываются.

Перечень основных бытовых приборов и потребляемая ими мощность

Каждое электрическое устройство или бытовой прибор при производстве рассчитывается на определенную электрическую мощность, потребляемую им от электросети. Именно поэтому специалисты называют их «потребителями энергии» или полезной нагрузкой.

Перечень основных бытовых изделий с указанием примерного значения их рабочих мощностей, это:

• Телевизионный приемник или стационарный ПК (режим «сна») – 0,5 Вт.
• Лампочка накаливания типовая – от 25 до 150 Вт (указывается на самом изделии).
• Холодильный агрегат – до 160 Вт.
• Электронагреватель проточного типа – 500-2000 Вт.
• СВЧ печь – 1,0-1,5 кВт.
• Пылесос – 1,3-1,8 кВт.
• Стиральная машина – 2,0-2,3 кВт.
• Электрический чайник – 1,8-2,0 кВт.
• Утюг – 1,3-2,2 кВт.

Точные значения потребляемой мощности зависят от конкретной марки используемого в быту прибора.

Пример расчета мощности в электрических цепях и в нагрузке

Если требуется определить точную цифру мощности бытового прибора – получить ее можно путем несложного расчета с использованием приведенных выше формул. В качестве примеров такого расчета рассмотрим нахождение этого показателя для нагрузок с различным внутренним сопротивлением. Предположим, что в первом случае оно будет R = 50 Ом, а протекающий через него ток составляет 0,3 А. Токовый показатель может быть измерен с помощью обычного мультиметра, переведенного в соответствующий режим и подключаемого в разрыв нагрузочной цепи.

Подставив полученные значения в формулу для мощности, получим:

P = I2R = 0,3х0,3х50 = 4,5 Вт

Во втором примере берется резистор R с номинальным сопротивлением 700 Ом и с максимально допустимой мощностью 10 Вт. Требуется определить, какое напряжение можно подавать на этот резистор без угрозы его выхода из строя.

Для ответа на этот вопрос лучше всего воспользоваться формулой (P = U2/R). Из нее находим, что максимально допустимое напряжение, которое можно подавать на данный элемент равно:

Umax = Pmax х R = 700 х 10= 83,67 В

Для подстраховки следует выбирать этот показатель несколько меньше (например, 70 В).

Как измеряется электрическая мощность

Для самостоятельного измерения мощности, рассеиваемой в нагрузке или в любом элементе электрической цепи, можно воспользоваться одним из перечисленных ниже способов:

• С помощью токовых клещей.
• Посредством специального измерительного прибора, называемого «ваттметр».
• Путем вычисления проделанной работы за единицу времени.

В первом случае для снятия показаний сначала потребуется разделить две жилы подводящего провода 220 В и только затем выставить на клещах нужный диапазон измерений. Затем следует разжать губки инструмента и обхватить ими один из проводов.

Захватывать половинками клещей оба провода ни в коем случае нельзя. Подобная ошибка приведет к тому, что в измерительной схеме прямой и обратный токи будут компенсироваться, а инструмент все время будет показывать ноль. После определения тока в нагрузке достаточно умножить показания токовых клещей на 220 В (сетевое напряжение).

В случае, когда электрическая мощность измеряется при неизвестных напряжениях, отличных от сетевых 220 В – дополнительно потребуется мультиметр, переведенный в соответствующий режим. Работать с этим прибором при измерении действующих напряжений более 36 В разрешается только специалистам, так что неопытным пользователям лучше всего отказаться от этого варианта.

Тем, у кого имеется возможность взять во временное пользование ваттметр – могут воспользоваться им, но только после внимательного ознакомления с инструкцией по работе с этим прибором. Если его подключить к нагрузке правильно (в соответствие с указаниями паспорта) – на шкале измерителя сразу же высветится искомый параметр.

Третий способ – наиболее простой, но и самый редко применяемый. Это объясняется тем, что не все бытовые приборы, рассчитанные на работу от сети 220 В, имеют в своем паспорте данные по потреблению токовой составляющей. Но в случае, если эта информация в документации на данное изделие имеется – достаточно будет умножить величину тока на действующее в сети напряжение (220 В).

Похожие темы:

• Электродвижущая сила (ЭДС). Виды и применение. Особенности
• Закон Кулона. Открытие и применение. Особенности
• Скважность. Применение и расчет. Коэффициент заполнения
• Закон Джоуля-Ленца. работа и применение. Особенности
• Мощность электрического тока. Виды и работа. Особенности