Мощность и сила тока формула

Что это такое и как рассчитать нагрузку

Нагрузка электрического тока – величина, характеризующая его свойства. Показывает сколько энергии потребляется электрическими приборами. Измеряется мощность тока с помощью специального прибора – ваттметра.

Если последовательно подключить измерительный прибор, можно проверить силу тока. При параллельном присоединении определяется напряжение. Количество потребления схемы рассчитывается по формулам: P = I х U или P = U2/ R = I2 х R.

Электрическая нагрузка равняется напряжению на потребителе умноженному на величину тока, протекающего через него.

P = U х I

Формула указывает, какие измерения определяют этот параметр. Если нагрузка активная, меряется Ваттами, реактивная единица электрической мощности – ВА.

Реактивная единица электрической мощности – ВАИсточник infourok.ru

Что такое мощность электрического тока

Любые физические действия совершаются под влиянием силы. С ее помощью проделывается определенный путь, то есть выполняется работа. В свою очередь, работа А, проделанная в течение определенного времени t, составит значение мощности, выраженное формулой: N = A/t (Вт = Дж/с). Другое понятие мощности связано со скоростью преобразования энергии той или иной системы. Одним из таких преобразований является мощность электрического тока, с помощью которой также выполняется множество различных работ. В первую очередь она связана с электродвигателями и другими устройствами, выполняющими полезные действия.

Мощность тока связана сразу с несколькими физическими величинами. Напряжение (U) представляет собой работу, затрачиваемую на перемещение 1 кулона. Сила тока (I) соответствует количеству кулонов, проходящих за 1 секунду. Таким образом, ток, умноженный на напряжение (I x U), соответствует полной работе, выполненной за 1 секунду. Полученное значение и будет мощностью электрического тока.

Приведенная формула мощности тока показывает, что мощность находится в одинаковой зависимости от силы тока и напряжения. Отсюда следует, что одно и то же значение этого параметра можно получить за счет большого тока и малого напряжения и, наоборот, при высоком напряжении и малом токе. Это свойство позволяет передавать электроэнергию на дальние расстояния от источника к потребителям. В процессе передачи ток преобразуется с помощью трансформаторов, установленных на повышающих и понижающих подстанциях.

Существует два основных вида электрической мощности – активная и реактивная. В первом случае происходит безвозвратное превращение мощности электрического тока в механическую, световую, тепловую и другие виды энергии. Для нее применяется единица измерения – ватт. 1Вт = 1В х 1А. На производстве и в быту используются более крупные значения – киловатты и мегаватты.

К реактивной мощности относится такая электрическая нагрузка, которая создается в устройствах за счет индуктивных и емкостных колебаний энергии электромагнитного поля. В переменном токе эта величина представляет собой произведение, выраженное следующей формулой: Q = U х I х sin(угла). Синус угла означает сдвиг фаз между рабочим током и падением напряжения. Q является реактивной мощностью, измеряемой в Вар – вольт-ампер реактивный. Данные расчеты помогают эффективно решить вопрос, как найти мощность электрического тока, а формула, существующая для этого, позволяет быстро выполнить вычисления.

Обе мощности можно наглядно рассмотреть на простом примере. Какое-либо электротехническое устройство оборудовано нагревательными элементами – ТЭНами и электродвигателем. Для изготовления ТЭНов используется материал, обладающий высоким сопротивлением, поэтому при прохождении по нему тока, вся электрическая энергия преобразуется в тепловую. Данный пример очень точно характеризует активную электрическую мощность.

Что касается электродвигателя, то внутри него расположена медная обмотка, обладающая индуктивностью, которая, в свою очередь, обладает эффектом самоиндукции. Благодаря этому эффекту, происходит частичный возврат электричества обратно в сеть. Возвращаемая энергия характеризуется небольшим смещением в параметрах напряжения и тока, оказывая негативное влияние на электрическую сеть в виде дополнительных перегрузок.

Такие же свойства имеют и конденсаторы из-за своей электрической емкости, когда накопленный заряд отдается обратно. Здесь также смещаются значения тока и напряжения, только в противоположном направлении. Данная энергия индуктивности и емкости, со смещением по фазе относительно значений действующей электросети, как раз и есть реактивная электрическая мощность. Благодаря противоположному эффекту индуктивности и емкости в отношении сдвига фазы, становится возможным выполнить компенсацию реактивной мощности, повышая, тем самым, эффективность и качество электроснабжения.

Что такое мощность в электричестве: просто о сложном

Вспомнилась былина об Илье Муромце, когда он приложил всю свою мощь к соловью разбойнику. У бедолаги сразу посыпались искры из глаз, как пламя с верхней картинки на проводке с неправильным монтажом.

Простыми словами: мощность в электричестве — это силовая характеристика энергии, которой оценивают, как способности генераторных установок ее вырабатывать, так возможности потребителей и транспортных магистралей.

Все эти участки должны быть точно смонтированы и налажены для обеспечения безопасной работы. Как только в любом месте возникает неисправность, так сразу развивается авария во всей схеме.

Если говорить о домашнем электрическом оборудовании, то приходится постоянно соблюдать баланс между:

1. включенными в сеть приборами;
2. конструкцией проводов и кабелей;
3. настройкой защитных устройств.

Только комплексное решение этих трех вопросов может обеспечить безопасность проводки и жильцов.

Как рассчитать электрическую мощность в быту

Формулы расчета мощности в электричестве позволяют выполнить качественную оценку безопасности каждого из перечисленных выше пунктов.

Пользоваться ими не сложно. Я уже приводил в предыдущих статьях шпаргалку электрика, где они помещены в наглядной форме для цепей постоянного тока.

Они полностью справедливы для активной составляющей мощности переменного тока, совершающей полезную работу. Кстати, кроме нее есть еще и бесполезная — реактивная, связанная с потерями энергии. Ее описанию посвящен второй раздел.

Такие вычисления удобно делать с помощью онлайн калькулятора. Он избавляет от рутинных математических вычислений и арифметических ошибок.

При любом из способов для расчета активной мощности требуется знать две из трех электрических величин:

1. силу тока I;
2. приложенное напряжение U;
3. сопротивление участка цепи R.

Как измерить электрическую мощность дома

Существует еще одна возможность оценки активной мощности: ее измерение в действующей схеме специальными приборами: ваттметрами.

Точные замеры может обеспечить промышленный лабораторный ваттметер. Он изготавливается как прибор, работающий на аналоговых сигналах,так и с помощью цифровых технологий.

В бытовой проводке точные вычисления не нужны. Для нее выпускаются различные виды более простых ваттметров.

Популярностью пользуются приборы, которые можно вставить в розетку и подключить к ним шнур питания от потребителя, включить их в работу и сразу снять показания на дисплее в ваттах.

Их так и называют: ваттметр розетка. Они измеряют чисто активную мощность переменного тока.

Такие приборы избавляют электрика от выполнения сложных операций под напряжением, когда требуется замерять:

• действующее напряжение;
• силу тока;
• угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения.

Потом все данные дополнительно требуется вводить в формулу расчета мощности по току и напряжению, делать по ней вычисления.

Этот метод можно упростить, если внимательно наблюдать за показаниями электрического счетчика индукционной системы с вращающимся диском. Он считает совершенную работу: потребленную мощность за определенную время.

Однако скорость вращения диска как раз и характеризует величину потребления. Надо просто посчитать сколько раз он обернется за минуту и перевести в ватты по табличке, расположенной на корпусе.

Понятие электрической мощности и способы ее расчета

С электротехнической точки зрения она представляет собой количественное выражение взаимодействия энергии с материалом проводников и элементами при протекании тока в электрической цепи. Из-за наличия электрического сопротивления во всех деталях, задействованных в проведения электротока, направленное движение заряженных частиц встречает препятствие на пути следования.

Это и обуславливает столкновение носителей заряда, электроэнергия переходит в другие виды и выделяется в виде излучения, тепла или механической энергии в окружающее пространство. Преобразование одного вида в другой и есть потребляемая мощность прибора или участка электрической цепи.

В зависимости от параметров источника тока и напряжения мощность также имеет отличительные характеристики. В электротехнике обозначается S, P и Q, единица измерения согласно международной системы СИ – ватты. Вычислить мощность можно через различные параметры приборов и электрических приборов. Рассмотрим каждый из них более детально.

Через напряжение и ток

Наиболее актуальный способ, чтобы рассчитать мощность в цепях постоянного тока – это использование данных о силе тока и приложенного напряжения. Для этого вам необходимо использовать формулу расчета: P = U*I

Где:

• P – активная мощность;
• U – напряжение приложенное к участку цепи;
• I  — сила тока, протекающего через соответствующий участок.

Этот вариант подходит только для активной нагрузки, где постоянный ток не обеспечивает взаимодействия с реактивной составляющей цепи. Чтобы найти мощность вам нужно выполнить произведение силы тока на напряжение. Обе величины должны находиться в одних единицах измерения – Вольты и Амперы, тогда результат также получится в Ваттах. Можно использовать и другие способы кВ, кА, мВ, мА, мкВ, мкА и т.д., но и параметр мощности пропорционально изменит свой десятичный показатель.

Через напряжение и сопротивление

Для большинства электрических устройств известен такой параметр, как внутреннее сопротивление, которое принимается за константу на весь период их эксплуатации. Так как бытовые или промышленные единицы подключаются к источнику с известным номиналом напряжения, определять мощность достаточно просто. Активная мощность находится из предыдущего соотношения и закона Ома, согласно которого ток на участке прямо пропорционален величине приложенного напряжения и имеет обратную пропорциональность к сопротивлению:

I = U/R

Если выражение для вычисления токовой нагрузки подставить в предыдущую формулу, то получится такое выражение для определения мощности:

P = U*(U/R)=U2/R

Где,

• P – величина нагрузки;
• U – приложенная разность потенциалов;
• R – сопротивление нагрузки.

Через ток и сопротивление

Бывает ситуация, когда разность потенциалов, приложенная к электрическому прибору, неизвестна или требует трудоемких вычислений, что не всегда удобно. Особенно актуален данный вопрос, если несколько устройств подключены последовательно и вам неизвестно, каким образом потребляемая электроэнергия распределяется между ними. Подход в определении здесь ничем не отличается от предыдущего способа, за основу берется базовое утверждение, что электрическая нагрузка рассчитывается как P = U×I, с той разницей, что напряжение нам не известно.

Поэтому ее мы также выведем из закона Ома, согласно которого нам известно, что падение напряжения на каком-либо отрезке линии или электроустановки прямо пропорционально току, протекающему по этому участку и сопротивлению отрезка цепи:

U=I*R

после того как выражение подставить в формулу мощности, получим:

P = (I*R)*I =I2*R

Как видите, мощность будет равна квадрату силы тока умноженной на сопротивление.

Полная мощность в цепи переменного тока

Сети переменного тока кардинально отличаются от постоянного тем, что изменение электрических величин, приводит к появлению не только активной, но и реактивной составляющей. В итоге суммарная мощность будет также состоять активной и реактивной энергии:

Где,

• S – полная мощность
• P – активная составляющая – возникает при взаимодействии электротока с активным сопротивлением;
• Q – реактивная составляющая – возникает при взаимодействии электротока с реактивным сопротивлением.

Также составляющие вычисляются через тригонометрические функции, так:

P = U*I*cosφ

Q = U*I*sinφ

что активно используется в расчете электрических машин.

Рис. 1. Треугольник мощностей

Измерения

Как показано выше, некоторые основные данные можно получить из практических измерений. Ниже приведены характеристики типовых специализированных устройств.

Прямые замеры

Ваттметры выпускаются в различных модификациях для сетей ~ 220В и ~ 380В. Соответствующие исправления вносятся при выполнении рабочих операций. Подключите датчики в соответствии с инструкциями производителя и правильной прокладкой проводов. Как правило, в конструкции устройств используются две катушки с параллельным и последовательным подключением к нагрузке. Для большей точности используются профессиональные приборы из категории «лабораторные.

Косвенные замеры

Эти операции выполняются с помощью мультиметров. Измеряются сопротивление, ток и напряжение, затем рассчитывается мощность.

Фазометры

Эти инструменты измеряют фазовый сдвиг между различными электрическими параметрами. Таким образом, с помощью такого устройства можно определить, отсутствует ли значение паспорта в документах, сопровождающих оборудование.

Регулирование cos

Негативное влияние указанных выше реактивных составляющих компенсируется специальными дополнениями к общей электрической схеме. Расчеты производятся по представленным формулам.

Измерения

Как показано выше, некоторые исходные данные можно получить в ходе практических измерений. Ниже отмечены особенности типовых специализированных приборов.

Прямые замеры

Ваттметры выпускают в разных модификациях для сетей ~220V и ~380V. Соответствующие коррекции делают в процессе выполнения рабочих операций. Следует подключать щупы с учетом инструкций производителя и соответствующего расположения проводников.

Как правило, в конструкциях приборов применяют две катушки с параллельным и последовательным подсоединением к нагрузке. Для повышенной точности пользуются профессиональными приборами «лабораторной» категории.

Косвенные замеры

Эти операции выполняют с применением мультиметров. Измеряют сопротивление, ток и напряжение, после чего вычисляют мощность.

Фазометры

С помощью этих приборов измеряют фазовый сдвиг между несколькими электрическими параметрами. Таким аппаратом можно определить cos ϕ, если паспортное значение отсутствует в сопроводительных документах к оборудованию.

Регулирование cos

Отмеченное выше негативное влияние реактивных составляющих компенсируют специальными дополнениями в общую электрическую схему. Расчеты выполняют с применением представленных формул.

Что такое мощность (Р) электротока

Электрическая мощность является физической величиной, характеризующей скорость преобразования или передачи электрической энергии. Единицей измерения по Международной системе единиц (СИ) является ватт, в нашей стране обозначается Вт, международное обозначение — W.

Что влияет на мощность тока

На мощность (Р) влияет величина силы тока и величина приложенного напряжения. Расчет параметров электроэнергии выполняется еще на стадии проектирования электрических сетей объекта. Полученные данные позволяют правильно выбрать питающий кабель, к которому будут подключаться потребители. Для расчетов силы электротока используется значения напряжения сети и полной нагрузки электрических приборов. В соответствии с величиной силы электротока выбирается сечение жил кабелей и проводов.

Отличия мощности при постоянном и переменном напряжении

Ведем обозначения электрических величин, которые приняты в нашей стране:

• Р − активная мощность, измеряется в ваттах, обозначается Вт;
• Q − реактивная мощность, измеряется в вольт амперах реактивных, обозначается ВАр;
• S − полная мощность, измеряется в вольт амперах, обозначается ВА;
• U − напряжение, измеряется в вольтах, обозначается ВА;
• I − ток, измеряется в амперах, обозначается А;
• R − сопротивление, измеряется в омах, обозначается Ом.

Назовем основные отличия P на постоянном и Q на переменном электротоке. Расчет P на постоянном электротоке получается наиболее простым. Для участков электрической цепи справедлив закон Ома. В этом законе задействованы только величина приложенного U (напряжения) и величина сопротивления R.

Расчет S (полной мощности) на переменном электротоке производится несколько сложнее. Кроме P, имеется Q и вводится понятие коэффициента мощности. Алгебраически складывая активную P и реактивную Q, получают общую S.

Подбор номинала автоматического выключателя

КПД источника тока

Для решения практических задач при подключении нескольких потребителей к стандартной домашней сети 220 V рассчитывают суммарную силу тока в отдельных линиях.

Порядок вычислений для одного бытового кондиционера:

• мощность потребления – 1 250 Вт;
• cosϕ – 0,75;
• I = 1 250/ (220 * 0,75) = 7,58 А.

Аналогичным образом делают расчет других потребителей. Менее мощные устройства объединяют в блок для подключения к одной линии. Делают необходимые коррекции с учетом размещения, чтобы экономно расходовать кабельную продукции. Подходящий автомат выбирают из стандартного модельного ряда в большую сторону номинала (с запасом по силе тока).

Далее проверяют соответствие проводников. Площадь сечения вычисляют по известной геометрической формуле:

S = ¼ * π * d2.

Далее по таблице из ПУЭ выбирают подходящий вариант. Для представленного выше примера при подключении только одного кондиционера достаточно применить медный проводник с площадью сечения 1,5 мм кв. Этого достаточно для длительного пропускания тока силой до 19 А.

Методика расчета мощностей трансформатора

При расчете силового трансформатора питающей подстанции учитывается среднесуточная нагрузка и длительность периода максимальной потребления. При этом должно учитываться соотношение:

Sном≥∑Pмакс

Режим пикового потребления также должен учитывать время воздействия, поскольку при кратковременных всплесках (до 1 часа), устройство будет работать в недогруженном режиме, что экономически не выгодно.

В таких случаях нужно брать в расчет перегрузочную способность конструкции, которая зависит от конструктивных особенностей, температуры окружающего воздуха и условий охлаждения. Это диктуется условиями допустимого нагрева составляющих элементов (обмоток, коммутирующих цепей).

Понятие коэффициента загрузки определяет отношение среднесуточного и максимального потребления электрической энергии. Коэффициент загрузки всегда меньше единицы. Его величина связана с требованиями к надежности электроснабжения. Чем меньше требуемая надежность, тем больше коэффициент может приближаться к единице.

Работа электрического тока

Проходя по цепи, ток работает. Например, если поток воды направлен на лопасти генератора, пони будет работать за счет вращения лопастей. Точно так же работает ток, движущийся по проводнику. И работа эта тем больше, чем больше величина тока и напряжения. Работа электрического тока, выполняемая на участке цепи, прямо пропорциональна силе тока, напряжению и времени действия тока. Работа электрического тока обозначается латинским символом A. Поскольку произведение I × U – это мощность, формулу для работы электрического тока можно записать: A = P × t

Единицей измерения работы электрического тока является ватт в секундах или джоулях. Следовательно, если мы хотим рассчитать работу, совершаемую током, работающим в цепи в течение временного интервала, нам нужно умножить мощность на время. Рассмотрим практический пример, используя реостат с сопротивлением 5 Ом, ток 0,5 А. Необходимо посчитать, какую работу ток будет делать за четыре часа. Запуск в течение одной секунды будет: P = I2R = 0,52 × 5 = 0,25 × 5 = 1,25 Вт,

Итак, через 4 часа t = 14400 секунд. Следовательно: A = P × t = 1,25 × 14 400 = 18 000 ватт-сек. Ватт-секунда или джоуль считаются слишком малыми для измерения работы. Поэтому на практике используется единица измерения, которая называется ватт-час (Втч). Один ватт-час равен 3600 Дж. В электротехнике используются еще более крупные единицы: гектоватт-часы (ГВтч) и киловатт-часы (кВтч): 1 кВтч = 10 ГВтч = 1000 Втч = 3600000 Дж, 1 ГВтч = 100 Втч = 360 000 Дж, 1 Втч = 3600 Дж.

Мощность электрического тока

Как рассчитать сопротивление и мощность

Допустим, вы хотите выбрать токоограничивающий резистор для питания цепи освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 Вольт, и потребляемый ток «I» 0,5 Ампер, которые нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома рассчитываем сопротивление «R». R = 24 / 0,5 = 48 Ом. На первый взгляд определяется номинал резистора. Однако этого недостаточно. Для надежной работы семы необходимо рассчитывать мощность по потребляемому току.

Из-за действия закона Джоуля-Ленца активная мощность «P» прямо пропорциональна току «I», проходящему через проводник, и приложенному напряжению «U». Эта связь описывается формулой P = 24×0,5 = 12 Вт.

Расчет мощности резистора исходя из его потребляемого тока показывает, что в выбранной схеме необходимо использовать резистор на 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, он нагреется и выгорают со временем. В этом примере показана зависимость того, как ток нагрузки и напряжение в сети влияют на мощность потребителя.

Максимальная мощность по ГОСТу

Ярче нельзя! Согласно ГОСТ 8607-82 (2004) «Светильники для освещения жилых и общественных помещений» максимальная потребляемая мощность одного бытового светильника должна быть не более:

• 550 Вт — для светильников общего освещения;
• 180 Вт — для светильников комбинированного освещения;
• 150 Вт — для светильников экспозиционного (точечного) и декоративного освещения;
• 25 Вт — для ночников (ориентирующее освещение).

1 из 3

На фото:

Светильники на светодиодах способны творить чудеса! Они дают очень яркий свет, хотя потребляют минимум электроэнергии (в данном случае – до 7,5 Вт). А некоторые модели способны светить разными цветами.

При этом единичная мощность одной лампы светильника должна быть не более:

• 150 Вт — для светильников общего, местного и комбинированного освещения;
• 100 Вт — для экспозиционных светильников, при этом для светильника с галогенными лампами накаливания не более 150 Вт;
• 60 Вт — для декоративных светильников;
• 25 Вт — для ночника.

На практике это означает, что российские фабрики (руководствуясь ГОСТом) не делают люстры мощнее 550 Вт. При этом каждый патрон рассчитан на лампочку мощностью не более 150 Вт. А во все модели для местного освещения (торшеры, бра и пр.) можно вкручивать лампы суммарной мощностью не более 180 Вт. Это связано с возможностями типовой электропроводки в наших домах. Правила в других странах даже более строгие, так что в смысле мощности заграничные светильники превосходно адаптируются к российским реалиям.

Мощность переменного тока

В таких цепях применять формулы для мгновенных величин нельзя, так как итоговое значение будет изменяться от минимума до максимума с частотой сети. В стандартной однофазной сети 220 V поддерживается синусоидальная форма сигнала 50 Гц.

Однако допустимо использование рассмотренных выше простых соотношений (P = U * I и других) при подключении нагрузки с резистивными характеристиками:

• ТЭНов стиральных машин;
• нагревательных спиралей инфракрасных излучателей;
• лампочек с вольфрамовой нитью накаливания.

С помощью этого выражения выясняют, какая мощность будет выделяться в нагрузке.

Активная мощность

Ситуация меняется радикальным образом, если включается мощный электродвигатель или конденсатор. Подобные нагрузки формируют колебательный контур, который обменивается энергией с источником питания. Полезные функции в данном случае выполняются только активной компонентой (Pакт). Ее вычисляют следующим образом:

• U * I – постоянный ток (переменный при резистивной нагрузке);
• U * I * cos ϕ – для ~220V, одна фаза;
• U * √3 * cos ϕ = U * 1,7321 * cos ϕ – три фазы, U * √3 * ~380V.

Реактивная мощность

Этот параметр, несмотря на отсутствие полезной работы, следует учитывать для корректной оценки важных параметров сети. Дело в том, что проводники нагреваются при пропускании тока в любом направлении. Циклические энергетические воздействия при достаточно большой интенсивности:

• разрушают жилы и защитные оболочки кабелей;
• провоцируют короткое замыкание;
• повреждают обмотки электроприводов и трансформаторы.

Реактивная составляющая определяется формулой:

Pреакт = U * I * sin ϕ.

Она принимает отрицательное (положительное) значение при подключении нагрузки с емкостными (индукционными) характеристиками, соответственно.

В чем измеряется мощность тока для подобных ситуаций, понятно из определения. Так как речь идет об изменении параметров электрического (магнитного) поля, итоговый результат обозначают вольт-амперами реактивными (единица измерения сокр. – вар).

Полная мощность

Если рассматриваемые величины выразить векторами, образуется треугольник. Длина сторон будет соответствовать потреблению энергии определенной составляющей. Угол между полной (Pполн) и активной мощностью (ϕ) используется в расчетах для вычислений. Общая формула:

Pполн = √((Pакт)2 + (Pреакт)2).

Комплексная мощность

Потребление энергии можно выразить при необходимости комплексными величинами. Используют базовые соотношения. Вместо сопротивления применяют импеданс.