Мощность, работа и потери КПД электрических цепей
Мощность - физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.
Мощность электрического тока (P) – характеристика скорости передачи (преобразования) энергии. Измеряется в ваттах (Вт).
Основные формулы вычисления мощности:P=U∙I=U2/R=I2∙R.
При различных значениях напряжения и величине заряда, выполняется различная работа, следовательно, необходимо оценить величину скорости передачи (преобразования) энергии. Эта величина называется электрической мощностью и характеризует выполненную работу за единицу времени: P=A/∆t.
Работа электрического тока (A) – произведение мощности на время:A=P∙∆t
измеряется в джоулях (Дж).
Мгновенная мощность зависит от выбранного момента времени; мгновенное значение тока и напряжения также изменяются во времени из-за внешних факторов: изменения температуры, влияния внешнего поля, нестабильности ЭДС источника питания и т.д.
Работа электрического тока при переносе одного заряда численно равна значению напряжения на участке AB, тогда: P=U/∆t
Умножив значение мощности для одного заряда на число перенесённых зарядов, получим значение мощности электрического тока: P=U/∆t∙q.
Учитывая, что отношение величины заряда ко времени равно величине протекающего тока, получим: P=U∙I=[1B]∙[1B]=[1Вт].
Величина электрической мощности измеряется в ваттах (Вт) или в вольт-амперах (ВА), однако, эти величины не являются тождественными.
Тогда работа тока равна мощности, умноженной на время:
Для характеристики эффективности системы (устройства, машины, электрической цепи) в отношении преобразования или передачи энергии вводится коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой, обозначается обычно η («эта»). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:
где A – работа, выполненная потребителем,
Q – энергия, отданная источником.
В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.
КПД характеризует степень полезности системы и определяется количество потерь мощности в ней.
Потери мощности в проводнике образуются преобразованием электрического тока в тепловую энергию, зависят от сопротивления проводника и не входят в величину полезной работы.
Разность ∆Q=A-Q называется потерями мощности. Из формулы видно, что потери мощности будут возрастать при увеличении сопротивления проводника, поэтому чтобы получить как можно больше теплового излучения в лампах используется тонкая бифилярная (двойная) спираль, сопротивление которой довольно велико. Нить имеет толщину порядка 50 микрон, чтобы компенсировать относительно малое удельное сопротивление металла. Стоит отметить, что КПД ламп накаливания составляет не более 15%, то есть более 85% мощности рассеивается в виде тепла (инфракрасное излучение).