Мощность электрического тока: формула и единицы измерения

Мощность тока (W, P) — важнейшее понятие в электротехнике. Именно оно, а не сила тока, характеризует интенсивность физического действия электричества.

Какой вид имеет формула мощности тока, и в каких единицах она измеряется?

Что такое мощность электрического тока?

Этим понятием в физике обозначают скорость выполнения работы или изменения количества энергии. Для наглядности электрический ток можно сравнить с напором воды, который вращает турбину гидроэлектростанции.

W зависит от двух факторов:

1. перепад высоты между турбиной и поверхностью запруды;
2. объем воды, падающей на турбину за единицу времени, то есть ее расход.

Чем больше каждая из этих величин, тем выше W.

В сфере электрических взаимодействий аналогичными понятиями выступают:

• разность потенциалов (напряжение);
• количество заряда, проходящее через сечение проводника за единичный временной отрезок (сила тока I).

В отличие от воды, поток электрически заряженных частиц механического действия не производит, их работа представлена двумя явлениями:

1. нагрев проводника;
2. формирование электромагнитного поля.

Соответственно, мощность электрического тока — это скорость выделения тепла или колебания индукции магнитного поля.

Формула

Если все сказанное выразить математическим языком, получится формула: W = U * I, где, W – мощность, Вт, U — напряжение, В, I — сила тока, А. Математическое выражение силы тока как количества проходящего за единицу времени заряда: I = Q / t.

Формула мощности тока

Поскольку U, I и R проводника, согласно закону Ома для участка цепи, соотносятся следующим образом: I = U / R, откуда U = I * R, то W электротока можно выразить как: W = I² * R или W = U² / R. Мощность переменного тока выражается той же зависимостью.

Только постоянно изменяющиеся U и I замещают так называемыми действующими значениями (константой) – например, эквивалентным постоянным напряжением, которое вызывает в проводнике то же тепловыделение, что и данное переменное. Так, U в розетке 220 В является действующим, тогда как на самом деле оно постоянно колеблется между 311 и -311 В.

Единица измерения мощности

Энергия или работа выражается в Джоулях (Дж). А скорость изменения энергии или выполнения работы выражается в Дж/с. Вместо соотношения, принято использовать единицу «ватт» (Вт). Она равна мощности, при которой за одну секунду совершается работа в один джоуль: 1 Вт = 1 Дж / с.

Измеряют W и в лошадиных силах (л.с.). В электротехнике эта единица не применяется. Но иногда требуется сравнить, к примеру, мощность дизельного двигателя, выражаемую обычно в л.с., и электрического, определяемую в Вт.

Соотношение следующее: 1 л.с. = 735,5 Вт (в англоязычных странах — 745,7 Вт). Между тем, желающие обзавестись ИБП, стабилизатором или автономным электрогенератором обнаруживают, что мощность в характеристиках устройства указана вовсе не в ваттах, а в вольт-амперах (ВА). Поскольку W = U * I, то мощность действительно можно выражать в таких единицах, то есть [Вт] = [В * А].

Но почему же не используют привычные ватты? Так поступают, чтобы отличить W полную (это она измеряется в ВА) от так называемой активной. Дело в том, что в электроприемниках с обмотками, прежде всего электродвигателях и трансформаторах (например, блоки питания), в полезную работу превращается не вся потребляемая электроэнергия, а только ее часть.

Обмотка — это катушка, а протекающий в катушке ток, как было сказано, создает сильное магнитное поле. Если ток переменный, то и параметры поля изменяются, а такое поле, согласно открытому М. Фарадеем закону электромагнитной индукции, наводит в самой катушке ЭДС самоиндукции.

Последняя направлена против изменения силы тока при ее возрастании (первая четверть периода), а при снижении (вторая четверть) — в одном с ней направлении.

На преодоление ЭДС самоиндукции тратится часть энергии, именуемая реактивной мощностью. Данное явление станет более понятным при рассмотрении аналогичного в механике. Если точильщик вращает точильный круг вперед-назад, то часть энергии тратится не на полезную работу (правка лезвия), а на преодоление инерции круга.

В каждом полупериоде круг требуется раскрутить, затем остановить. Это и есть аналог реактивной мощности. То, какая часть полной потребляемой электрической мощности превратится в полезную работу и есть доля активной мощности, выражается характеристикой «cosФ»: cosϕ = Wакт / Wпол, где Wакт — активная мощность, Wпол — полная мощность.

Что такое коэффициент мощности

Параметр cosϕ указывается в характеристиках всех подобных токоприемников. Необходимо учитывать, что приводимая в характеристиках мощность является не активной в полном смысле, а мощностью на выходе. Если это электродвигатель, то указывается механическая W на его валу.

То есть при расчетах требуется учитывать еще и КПД, ведь часть активной мощности будет затрачена на преодоление трения в подшипниках, перемагничивание сердечника, охлаждение и пр. Таким образом, полная потребляемая мощность при известной активной (указывается в характеристиках) определяется так: Wпол = Wакт / (КПД * cosϕ). Вот как это применяется на практике.

Положим, требуется подобрать ИБП для компьютера с блоком питания мощностью 400 Вт, средние параметры таких блоков:

• КПД: 65% — 70% (0,65 – 0,7);
• cosϕ: 0,7.

Тогда потребуется ИБП мощностью не менее: W = 400 / (0,65 * 0,7) = 879,12 ВА.

Например, подбирается стабилизатор для холодильника с такими характеристиками:

• мощность: 0,6 кВт;
• КПД: 0,75;
• cosϕ: 0,8.

Его мощность должна составлять: W = 600 / (0.75 * 0.8) = 1000 ВА. Таким образом, известная мощность электрогенератора или ИБП не позволяет без сведений о характеристиках электроприемника судить о том, какую он выдаст активную мощность. Источник мощностью 3000 ВА при cosϕ = 0,8 выдаст 2,4 кВт полезной мощности, а при cosϕ = 0,7 — только 2,1 кВт (без учета КПД электроприемника).

Преобразование тока

Поскольку электрическая мощность выражается произведением напряжения на силу тока, то из закона сохранения энергии следует: если при передаче одной и той же мощности напряжение повысить, сила тока пропорционально уменьшится, и наоборот.

Преобразованием напряжения переменного тока занимается специальное устройство — трансформатор. В самом простом виде он состоит из двух обмоток, надетых на магнитопровод.

Магнитное поле, возбуждаемое в первичной обмотке, наводит ЭДС во вторичной (закон электромагнитной индукции) и величина ее соотносится с напряжением на выводах первичной обмотки так же, как число витков в обмотках.

Если, к примеру, первичная обмотка содержит 300 витков, и на нее подается переменное напряжение с действующим значением 220 В, то в цепи вторичной обмотки со 150-ю витками возникнет ЭДС в 110 В, то есть в 2 раза меньшая. Поскольку мощность останется практически постоянной (потерями на нагрев и перемагничивание сердечника пренебрегаем), то сила тока в цепи вторичной катушки окажется, наоборот, вдвое выше тока в первичной катушке.

Потому вторичные обмотки понижающих трансформаторов наматывают проводом большего сечения, чем первичные. С повышающим трансформатором все происходит с точностью до наоборот. Снижение силы тока за счет увеличения напряжения применяется при передаче электроэнергии на значительные расстояния.

Сгенерированный электростанцией ток напряжением 10-20 кВ преобразуют находящейся тут же подстанцией, поднимая напряжение до сотен кВ.

В населенных пунктах напряжение снова понижают местными трансформаторными подстанциями, уже до 220 В, и в таком виде электроэнергия поступает в распределительную сеть.

Наибольшей величины этот параметр достигает на ЛЭП «Экибастуз — Кокчетав» — 1,15 МВ (мегавольт). При этом многократно падает сила тока, а поскольку работа тока в проводнике, состоящая в его нагреве, выражается формулой W = I² * R (R — сопротивление проводника), то и потери значительно сокращаются.

Прибор для измерения

Мощность тока измеряют ваттметром, существует три разновидности таких приборов:

1. низкочастотные;
2. радиочастотные;
3. оптические.

Низкочастотные применяются для измерения W постоянного тока и переменного промышленной частоты (50 Гц), они делятся на две разновидности:

• однофазные;
• трехфазные.

Для измерения реактивной мощности применяют другой прибор — варметр.

По принципу действия ваттметры делятся на:

• аналоговые;
• цифровые.

Почти все цифровые ваттметры включают в себя варметр, то есть могут измерять W активную и реактивную. Аналоговые приборы (Д8002, Ц301, Д5071 и др.) определяют мощность тока посредством двух катушек: одна подключена последовательно с нагрузкой, другая — параллельно.

Протекающий в катушках ток инициирует возникновение магнитных полей. А те, взаимодействуя друг с другом, создают вращающий момент, воздействующий на стрелку.

Цифровой ваттметр

Величина момента зависит от:

• силы тока;
• напряжения;
• cosϕ (при изменении активной мощности) или sinϕ (реактивной).

Цифровые ваттметры (MI 2010А, ЩВ02, СР3010 и пр.) оснащены парой датчиков включенных:

• по току — последовательно с нагрузкой;
• по напряжению — параллельно.

Контроллер по показаниям с датчиков делает вычисления и выводит их на табло.

Видео по теме

О том, как определить мощность тока, в видео:

Со школы известно, что мощность тока равна произведению напряжения на силу тока. Но вот о том, что она не всегда измеряется в ваттах, а еще и в вольт-амперах, многие узнают с удивлением. Надеемся, что изложенный материал помог разобраться в этих тонкостях.