Мощность в электрических цепях
Помимо напряжения и тока, есть еще один важный параметр, связанный с электрическими цепями: мощность. Во-первых, прежде чем анализировать мощность в каких-либо схемах, нам нужно понять, что это такое.
Что такое мощность и как ее измерить?
Мощность – это мера того, сколько работы можно выполнить за определенный промежуток времени. Работа обычно определяется как поднятие груза против силы тяжести. Чем больше масса, и/или чем выше она поднимается, тем больше работы должно быть выполнено. Мощность – это мера того, насколько быстро выполняется стандартный объем работы.
Для американских автомобилей мощность двигателя оценивается в единицах, называемых «лошадиные силы», которые изначально были придуманы производителями паровых двигателей для количественной оценки работоспособности своих машин с точки зрения самого распространенного в их время источника энергии: лошадей. Одна лошадиная сила определяется в британских единицах как 550 фут·фунтов работы в секунду. Мощность двигателя автомобиля не будет указывать на высоту холма, на которую он может подняться, или какую массу он может тащить, но она указывает, насколько быстро он может подняться на определенный холм или протащить определенную массу.
Мощность механического двигателя зависит как от скорости двигателя, так и от его крутящего момента на выходном валу. Скорость выходного вала двигателя измеряется в оборотах в минуту или об/мин (RPM). Крутящий момент – это величина вращательной силы, создаваемой двигателем, и обычно измеряется в ньютон-метрах (или в фунт-футах). Ни скорость, ни крутящий момент сами по себе не являются мерой мощности двигателя.
Дизельный тракторный двигатель мощностью 100 лошадиных сил вращает вал относительно медленно, но обеспечивает большой крутящий момент. Двигатель мотоцикла мощностью 100 лошадиных сил вращает вал очень быстро, но обеспечивает относительно небольшой крутящий момент. Оба будут производить 100 лошадиных сил, но с разной скоростью и разным крутящим моментом. Уравнение для мощности на валу простое:
\[\text{Лошадиная сила} = \frac{2 \pi ST}{33 000}\]
где
- S – скорость вращения вала в об/мин;
- T – крутящий момент в фунт-футах.
Обратите внимание на то, что в правой части уравнения есть только две переменных, S и T. Все остальные члены в этой части постоянны: 2, π и 33 000 – константы (они не меняют своего значения). Мощность в лошадиных силах меняется только при изменении скорости и крутящего момента, больше ничего. Мы можем переписать уравнение, чтобы показать эту взаимосвязь:
Лошадинная сила ∝ ST
∝ – означает «пропорциональна»
Поскольку единица «лошадиных сил» не совпадает в точности со скоростью в оборотах в минуту, умноженной на крутящий момент в фунт-футах, мы не можем сказать, что мощность равна ST. Однако они пропорциональны друг другу. По мере изменения математического произведения ST значение мощности изменится в той же пропорции.
Мощность как функция напряжения и тока
В электрических цепях мощность зависит как от напряжения, так и от тока. Неудивительно, что это соотношение имеет поразительное сходство с приведенной выше формулой «пропорциональной» мощности в лошадиных силах:
\[P= IE\]
Однако в этом случае мощность (P) точно равна силе тока (I), умноженной на напряжение (E), а не просто пропорциональна IE. При использовании этой формулы единицей измерения мощности является ватт, обозначаемый как «Вт» (или в англоязычной литературе «W»).
Следует понимать, что ни напряжение, ни ток сами по себе не составляют мощность. Скорее, мощность – это комбинация напряжения и тока в цепи. Помните, что напряжение – это удельная работа (или потенциальная энергия) на единицу заряда, а сила тока – это скорость, с которой электрические заряды проходят через проводник. Напряжение (удельная работа) аналогична работе, выполняемой при поднятии веса против силы тяжести. Сила тока (скорость) аналогична скорости, с которой поднимается этот груз. Вместе, как произведение, напряжение (работа) и ток (скорость) составляют мощность.
Так же, как в случае дизельного двигателя трактора и двигателя мотоцикла, цепь с высоким напряжением и низким током может рассеивать такое же количество мощности, что и цепь с низким напряжением и большим током. Ни напряжение, ни сила тока по отдельности не указывают на величину мощности в электрической цепи.
Мощность при разомкнутой / короткозамкнутой цепи
В разомкнутой цепи, когда между клеммами источника присутствует напряжение и нулевой ток, рассеиваемая мощность равна нулю, независимо от того, насколько велико это напряжение. Поскольку P = IE, и I = 0, и всё, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в любой разомкнутой цепи, должна быть равна нулю. Точно так же, если бы у нас было короткое замыкание, состоящее из петли из сверхпроводящего провода (абсолютно нулевое сопротивление), у нас могло бы быть состояние с током в петле и нулевым напряжением, и аналогично, никакая мощность не рассеивалась бы. Поскольку P = IE, и E = 0, и всё, что умножается на ноль, равно нулю, мощность, рассеиваемая в сверхпроводящем контуре, должна быть равна нулю (мы рассмотрим тему сверхпроводимости в следующей главе).
Как лошадиная сила связана с ваттами?
Независимо от того, измеряем ли мы мощность в «лошадиных силах» или в «ваттах», мы всё равно говорим об одном и том же: сколько работы можно выполнить за данный промежуток времени. Эти две единицы численно не равны, но они выражают одно и то же. Фактически, европейские производители автомобилей обычно рекламируют мощность своих двигателей в киловаттах (кВт) или тысячах ватт, а не в лошадиных силах! Эти две единицы мощности связаны друг с другом простой формулой:
\[1\ \text{лошадиная сила} = 745,7 \ Вт\]
Таким образом, наши 100-сильные дизельные и мотоциклетные двигатели также могут быть оценены как двигатели мощностью «74570 Вт», или, точнее, как двигатели «74,57 кВт». В европейской технической документации этот параметр был бы скорее нормой, чем исключением.
Резюме
- Мощность – это мера того, сколько 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 зависит и от напряжения, и от тока одновременно, а не по отдельности.
- Лошадиная сила и ватт – это всего лишь две разные единицы для описания одного и того же физического параметра, при этом 1 лошадиная сила равна 745,7 Вт.