Puterea electrică

(Energia electrică este transmisă pe linii aeriene ca acestea și, de asemenea, pe cabluri subterane de înaltă tensiune. )

Puterea electrică este rata, pe unitate de timp, la care energia electrică este transferată printr-un circuit electric. Unitatea SI de putere este watt, un joule pe secundă.

Energia electrică este de obicei produsă de generatoare electrice, dar poate fi furnizată și de surse cum ar fi bateriile electrice. Acesta este, de obicei, furnizată întreprinderilor și locuințelor de către industria de energie electrică printr-o rețea electrică. Energia electrică este de obicei vândută în kilowați oră (3,6 MJ), care este produsul puterii în kilowați, înmulțit cu timpul de funcționare în ore. Utilitățile electrice măsoară puterea folosind un contor de energie electrică, care menține un total de funcționare a energiei electrice livrate unui client.

Energia electrică oferă o formă de energie cu entropie scăzută și poate fi transportată pe distanțe lungi și transformată în alte forme de energie, cum ar fi mișcarea, lumina sau căldura, cu o eficiență energetică ridicată.

Definiție

Energia electrică, ca și puterea mecanică, este rata de lucru mecanic, măsurată în wați și reprezentată de litera P. Termenul de wataj este folosit în mod colocvial în sensul de „puterea electrică în wați”. Puterea electrică în wați produsă de un curent electric I constând dintr-o sarcină de Q coulmbi la fiecare t secunde care trece printr-o diferență de potențial electric (tensiune) V este

P = lucrul mecanic efectuat pe unitate de timp = VQ/t = VI

unde: Q este încărcătura electrică în coulomb; t este timpul în secunde; I este curentul electric în amperi; V este potențialul electric sau tensiunea în volți.

Explicaţie

Energia electrică este transformată în alte forme de energie atunci când sarcinile electrice se deplasează printr-o diferență de potențial electric (tensiune) care apare în componentele electrice ale circuitelor electrice. Din punctul de vedere al puterii electrice, componentele unui circuit electric pot fi împărțite în două categorii:

• Dispozitive sau sarcini pasive (consumatori): când sarcinile electrice se deplasează printr-o diferență de potențial de la o tensiune mai mare la o tensiune mai mică, adică atunci când curentul convențional (sarcina pozitivă) se deplasează de la terminalul pozitiv (+) la terminalul negativ (-), lucrul mecanic fiind efectuat de sarcinile pe dispozitiv. Energia potențială a sarcinilor datorată tensiunii dintre borne este transformată în energie cinetică în dispozitiv. Aceste dispozitive se numesc componente sau sarcini pasive (consumatori); consumă energie electrică din circuit, transformând-o în alte forme de energie, cum ar fi lucrul mecanic, căldura, lumina etc. Exemplele sunt aparatele electrice, cum ar fi becurile, motoarele electrice și încălzitoarele electrice. În circuitele de curent alternativ (CA), direcția tensiunii se inversează periodic, dar curentul intră întotdeauna de la potențialul superior la partea mai joasă a potențialului.
• Dispozitive active sau surse de alimentare: În cazul în care sarcinile se deplasează datorită unei „forțe exterioare” prin dispozitiv în direcția de la potențialul electric mai mic la cel mai mare (astfel sarcinile pozitive se mișcă de la terminalul negativ la terminalul pozitiv), lucrul mecanic va fi efectuat asupra sarcinilor, iar energia este transformată în energie potențială electrică din un alt tip de energie, cum ar fi energia mecanică sau energia chimică. Aparatele în care se produce acest fenomen se numesc dispozitive active sau surse de alimentare, ca de ex. generatoarele electrice și bateriile.

Unele dispozitive pot fi fie surse, fie consumatori, în funcție de tensiunea și curentul prin ele. De exemplu, o baterie reîncărcabilă acționează ca sursă atunci când furnizează ca alimentare la un circuit, dar ca un consumator atunci când este conectată la un încărcător de baterie și este reîncărcată, sau un generator ca sursă de energie și un motor ca un consumator.

Convenția semnelor pasive

Deoarece energia electrică poate curge fie în interiorul, fie în afara unei componente, este necesară o convenție pentru care direcție se consideră un flux pozitiv de putere. Energia electrică care curge dintr-un circuit într-o componentă este definită arbitrar ca având un semn pozitiv, în timp ce puterea care curge într-un circuit dintr-o componentă este definită ca având un semn negativ. Astfel, componentele pasive au un consum pozitiv de energie, în timp ce sursele de alimentare au un consum negativ de energie. Aceasta se numește convenția semnelor pasive.

Circuite rezistive

În cazul consumatorilor rezistivi (ohmici sau liniari), legea lui Joule poate fi combinată cu legea lui Ohm (V = I·R) pentru a produce expresii alternative pentru cantitatea de energie care este disipată:

P = IV = I²R = V²/R,

unde R este rezistența electrică.

Curent alternativ

În circuitele de curent alternativ, elementele de stocare a energiei, cum ar fi inductanța și capacitatea, pot determina inversări periodice ale direcției fluxului de energie. Porțiunea din fluxul de energie care, în medie pe un ciclu complet al formei de undă CA, conduce la transferul net de energie într-o direcție este cunoscută sub numele de putere reală (denumită și putere activă). Acea parte a fluxului de energie datorată energiei stocate, care revine la sursă în fiecare ciclu, este cunoscută drept putere reactivă. Puterea reală P în wați consumată de un dispozitiv este dată de

P = (1/2)V_pI_pcosθ = V_rmsI_rmscosθ

unde V_p este tensiunea de vârf în volți, I_p este curentul de vârf în amperi, V_rms este tensiunea medie-pătratică în volți, I_rms este curentul mediu-pătratic în amperi, θ este unghiul de fază dintre undele sinusoidale de curent și de tensiune.

 (Triunghiul puterilor: componentele puterii CA)

Relația dintre puterea reală, puterea reactivă și puterea aparentă poate fi exprimată prin reprezentarea cantităților ca vectori. Puterea reală este reprezentată ca vector orizontal iar puterea reactivă este reprezentată ca vector vertical. Vectorul de putere aparentă este ipoteza unui triunghi drept format prin conectarea vectorilor de putere reală și reactivă. Această reprezentare este deseori numită triunghiul puterii. Folosind teorema lui Pitagora, relația dintre puterea reală, reactivă și aparentă este:

(puterea aparentă)² = (puterea reală)² + (puterea reactivă)²

Puterile reale și reactive pot fi calculate, de asemenea, direct din puterea aparentă, atunci când curentul și tensiunea sunt ambele sinusoide cu un unghi de fază cunoscut între ele:

(puterea reală) = (puterea aparentă) cosθ

(puterea reactivă) = (puterea aparentă) sinθ

Raportul dintre puterea reală și puterea aparentă se numește factor de putere și este un număr întotdeauna între 0 și 1. În cazul în care curenții și tensiunile au forme nesinusoidale, factorul de putere este generalizat pentru a include efectele distorsionării.

Câmpuri electromagnetice

Fluxurile de energie electrică curg oriunde există câmpuri electrice și magnetice și fluctuează în același loc. Cel mai simplu exemplu al acestei situații este în circuitele electrice. În cazul general, totuși, ecuația simplă P = IV trebuie înlocuită cu un calcul mai complex, integrala produsului vectorial al vectorilor câmpului electric și magnetic pe o anumită zonă, astfel:

P = ∫_S (E × H)·dA.

Rezultatul este un scalar deoarece este o integrală de suprafață al vectorului Poynting.