Что такое активная и реактивная мощность переменного электрического тока?

• Главная
• Справочник
• Физика

Для того чтобы характеризовать скорость с которой совершается работа ($A$) используют понятие мощности (P), которую определяют как:
\[P=\frac{dA}{dt}\left(1\right),\]

выражение (1) — это мгновенная мощность.

Мгновенную мощность можно определить как:

\[P=\overline{F}\overline{v}\left(2\right),\]

где $\overline{F}$ — вектор силы, которая совершает работу; $\overline{v}$ — вектор скорости перемещения точки, к которой приложена сила $\overline{F}$.

Ватт — единица измерения мощности в системе СИ

Из определения мощности видно, что за единицу измерения мощности можно принять:

\[\left[P\right]=\frac{Дж}{с}.\]

Однако у единицы мощности есть собственное название: ватт — единица измерения мощности. Обозначается ватт как Вт. Мощность равна 1 Вт, если за одну секунду совершается работа равная одному джоулю. Необходимо отметить, что ватт — единица измерения мощности в Международной системе единиц (СИ). Ватт не является основной единицей измерения в системе СИ. Свое название ватт получил в честь изобретателя Дж. Ватта.

Ватт как единицу измерения мощности стали применять после 1882 года. До этого момента мощность рассчитывали в лошадиных силах или в фут-фунтах в минуту. В системе СИ ватт — единица измерения мощности, начиная с 1960 г (с момента принятия самой системы).

Используя определение мгновенной мощности (2), легко получить комбинацию основных единиц измерения, из которых получается ватт.

\[\left[P\right]=Н\cdot \frac{м}{с}=кг\cdot \frac{м}{с^2}\cdot \frac{м}{с}=кг\cdot \frac{м^2}{с^3}.\]

Определения (1) и (2) — это механические определения мощности. Выделим еще электрическую мгновенную мощность:

\[P=UI\ \left(3\right),\]

где $I$ — сила тока на некотором участке цепи; $U$ — напряжение на рассматриваемом участке. Ватт — единица измерения электрической мощности, при этом из определения (3), следует, что:

\[\left[P\right]=А\cdot B,\]

где $\left[I\right]=A$ (ампер); $\left[U\right]=B$ (вольт).

Определение мощности

Быстроту выполнения работы характеризуют физической величиной, называемой мощность.

Мощность — это физическая величина, равная отношению работы ко времени, за которое она была совершена.

Чтобы вычислить мощность, нужно работу разделить на время, в течение которого совершена эта работа:

$$мощность = \frac{работа}{время}$$

или

$$N = \frac{A}{t}$$

где $N$ — мощность, $A$ — работа, $t$ — время выполнения работы.

Мощность может быть:

1. Постоянной, если за каждую секунду совершается одинаковая работа
2. Непостоянной, если за каждую секунду совершается разная работа. В таком случае говорят о средней мощности: $N_{ср} = \frac{A}{t}$

Единицы измерения мощности в других системах единиц

В системе СГС (система основными единицами в которой служат: сантиметр, грамм и секунда) специального названия единица измерения мощности не имеет. В этой системе:

\[\left[P\right]=\frac{эрг}{с},\]

где $эрг$ — единица измерения энергии (работы) в СГС.

\[1\ Вт={10}^7\frac{эрг}{с}.\]

Лошадиная сила (л.с.) — это внесистемная единица измерения мощности. В мире различают несколько разных единиц, называя их «лошадиная сила». В нашей стране имеется в виду «метрическая лошадиная сила», считают:

\[1Вт\approx 1,36\cdot {10}^{-3}л.с.\] \[1\ л.с.=735,49875\ Вт\]

Эта единица практически выведена из использования в расчетах. Однако ее все еще используют, например, при вычислении налогов на транспортные средства.

Формула взаимосвязи между мощностью, напряжением и силой тока

Для вывода зависимостей между рассматриваемыми параметрами можно вернуться к определению с работой. В этом случае рассматривают перемещение заряда (Q) на заданное расстояние. При движении из точки F1 в F2 будет выполнена работа (А), равная изменению потенциала или напряжению. Базовую формулу несложно преобразовать:

P=A/t = (U/t)*Q.

Сила тока определяется величиной заряда, который перемещается за контрольное время (I = Q/t). После совмещения отмеченных зависимостей получится следующий результат:

P = U * I.

Из этого выражения убраны «сопутствующие» параметры. Оставлены типичные электрические величины. Если добавить известную формулу закона Ома, можно установить рабочие соотношения для расчетов с учетом электрического сопротивления:

P = U2/ R = I2 * R.

Базовые формулы для расчета

К сведению. Представленные зависимости позволяют получить точный результат вычислений при работе с источником постоянного тока. Однако в стандартной бытовой сети применяют однофазное питание 220 V. Амплитуда сигнала изменяется с нормированной частотой 50Гц, поэтому нужно учитывать особенности потребления энергии разными типами нагрузок.

Если подключается классическая лампа накаливания или бойлер с ТЭНом для нагрева воды, допустимо применение рассмотренных выше формул. Однако простая технология не подходит при работе с реактивным сопротивлением нагрузки. Индуктивные и емкостные компоненты образуют колебательный контур. Активизируется процесс накопления и обмена энергии с источником питания. В ходе подобных циклов часть мощности расходуется впустую, поэтому для точной оценки выделяют активную составляющую:

Pакт = U * I * cos ϕ.

Дополнительный множитель в формуле характеризует потери в определенной нагрузке. Значение cos ϕ указывают на шильдиках электродвигателей, в сопроводительной документации к станкам, трансформаторам, генераторам.

Специалисты советуют не забывать о «бесполезной» реактивной мощности (Pреакт = U * I * sin ϕ). Прохождение тока по цепи в любом направлении увеличивает энергетический потенциал молекулярной решетки проводника. Этот процесс сопровождается нагревом. Если исключить данную составляющую из расчетов, увеличивается риск возникновения поломок и аварийных ситуаций. Полную мощность ватт можно вычислить по формуле:

Pполн = √((Pакт)2 + (Pреакт)2).

Для проверки рабочих схем, ремонта и настройки применяют специальное оборудование. Измерять мощность можно ваттметром. Для постоянного контроля в режиме онлайн такой блок можно установить в электрощитке. Изделия этой категории оснащают индикацией показаний. Некоторые модели способны передавать информацию по локальной сети и через интернет.

В мобильном варианте исполнения ваттметр используют для уточнения потребления электроэнергии подключенными к розетке устройствами

Вместо специализированной техники можно применить типовой универсальный мультиметр. Чтобы измерить ток, прибор включают в электрическую цепь последовательно с нагрузкой. Параллельное подсоединение поможет узнать напряжение. Далее по представленным выше формулам вычисляют, какую мощность вт потребляет телевизор или другая техника.

Формы и виды энергии

Поскольку энергия, как сказано выше, является только мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие, различные формы энергии выделяются в соответствии с различными формами движения материи. Таким образом, в зависимости от уровня проявления, мож­но выделить следующие формы энергии:

• энергия макромира — гравитационная или энергия притяжения тел,
• энергия взаимодействия тел — механическая,
• энергия молекулярных взаимодействий — тепловая,
• энергия атомных взаимодей­ствий — химическая,
• энергия излучения — электромагнит­ная,
• энергия, заключенную в ядрах атомов, — ядерная.

Гравитационная энергия — энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на опреде­ленную высоту над поверхностью Земли — энергия силы тя­жести. Таким образом, энергию, запасенную в водохранилищах гидроэлектростанций, можно отнести к гравитационной энергии.

Механическая энергия — проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энер­гию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и техно­логических.

Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотичес­кого) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопле­ния, проведения многочисленных технологических процес­сов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегон­ки и т. д.).

Химическая энергия — это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при хими­ческих реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальваничес­ких элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии ха­рактеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Электромагнитная энергия — это энергия, порождаемая взаимодействием электрического и магнитного по­лей. Ее подразделяют на электрическую и магнитную энергии. Электрическая энергия — энергия движущихся по элек­трической цепи электронов (электрического тока).

Электромагнитная энергия проявляется также в виде электромагнит­ных волн, то есть в виде излучения, включающего видимый свет, инфракрасные, ультрафио­летовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Таким образом, один из видов электромагнитной энергии — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах ато­мов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобож­дается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или син­тезе легких ядер (термоядерная реакция).

В эту классификацию несколько не укладываются известные нам со школы понятия потенциальной и кинетической энергии. Современная физика считает, что понятия кинетической и потенциальной энергий (а также энергии диссипации) это не формы, а виды энергии:

Кинетическая энергия — энергия, которой обладают тела вследствие своего движения. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю.

Потенциальная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием различных тел или частей одного и того же тела. Потенциальная энергия всегда определяется положением тела относительно некоторого источника силы (силового поля).

Энергия диссипации (то есть рассеяния) — переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте — в теплоту.

Дело в том, что каждая из перечисленных выше форм энергии может проявляться в виде потенциальной и кинетической энергии. То есть виды энергии должны трактоваться в обобщенном смысле, ибо они относятся к любой форме движения и, следовательно, к любой форме энергии. Например, имеется кинетическая электрическая энергия, и это не то же самое, что кинетическая механическая энергия. Это кинетическая энергия движения электронов, а не кинетическая энергия механического движения тела. Точно так же потенциальная электрическая энергия это не то же самое, что потенциальная механическая энергия. А химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии их взаимодействия друг с другом и с атомными ядрами.

Вообще, насколько я понял при подготовке этого материала, пока не существует общепринятой классификации форм и видов энергии. Впрочем, возможно нам и не нужно до конца разбираться в этих физических понятиях. Важно только помнить, что энергия — это не какая-то реальная материальная субстанция, а только мера, предназначенная для оценки перемещения некоторых форм материи или преобразования одной формы материи в другую.

С понятием энергии и работы неразрывно связано понятие мощности.

Ватты и ватт-часы

Что такое ват, понятно. Однако при изучении документации и справочной информации часто встречается упоминание ватт-часов. Этим термином обозначают потребление энергии за соответствующий промежуток времени (60 минут).

Следующий пример объясняет, что такое вт * час на практике. Если для повышения температуры в комнате нагреватель мощностью 900 Вт работал 180 минут, значит, было израсходовано 2,7 кВт*ч электроэнергии. Выбрав модель 1 800 Вт, можно сократить время процедуры до 90 мин. Однако энергетические затраты останутся неизменными:

1 800 *1,5 = 2 700 = 2,7 кВт*ч.