Výkon elektrického proudu: definice, vzorce, jednotky měření, označení

V tomto článku si řekneme, co je to elektrický proud a jak ho lze vypočítat.

Definice

Výkon elektrického proudu (označovaný písmenem P) je fyzikální veličina definovaná jako množství práce vykonané zdrojem elektrického napětí k přenosu elektrického náboje (q) podél vodiče za jednotku času t.

Obecně řečeno, výkon elektrického proudu ukazuje, kolik elektrické energie se přemění za určitý čas. Popisuje také spotřebu energie spotřebitele.

vzorec

Mnoho domácích elektrických spotřebičů má štítky s uvedením jejich výkonu. Výkon (P) udává práci (A) vykonanou elektrickým spotřebičem za jednotku času (t). Abychom tedy zjistili průměrný výkon elektrického proudu, je nutné jeho práci vydělit časem, tj. P = A / t.

Uvažujme, co je to elektrický proud. Za tímto účelem uvažujme elektrický obvod (viz obrázek 1), který se skládá ze zdroje proudu, vodičů a nějakého druhu elektrického přijímače, kterým může být rezistor, baterie, elektromotor atd.

Doporučené elektrické napětí je také uvedeno na elektrickém zařízení. Jak spolu tyto dvě veličiny souvisí? Ze školního kurzu fyziky víme, že napětí (U) mezi konci daného elektrického přijímače se určuje takto: U = A / q, kde: A je práce vykonaná zdrojem elektrického napětí k přenosu elektrického náboje (q) podél vodiče.

Velikost elektrického náboje se vypočítá pomocí vzorce: q = I * t

Máme A = P * t; A = U*q a q = I * t. Po transformaci vzorců dostaneme: A = P*t = U*q = U*I*t

Z toho vyplývá (vydělením obou stran rovnice t), že P = U*I. To znamená, že můžeme říci, že množství energie přenesené ze zdroje proudu na rezistor je určeno vzorcem: P = U * I

Z tohoto vzorce můžeme zjistit, že U = P / I, I = P / U.

Podle Ohmova zákona pro úsek obvodu I = U/R, kde R je elektrický odpor úseku obvodu. Ze vzorce P = U*I tedy vyplývají dva další vzorce pro výkon elektrického proudu, a to P = U²/R, P = I²R.

Vzorec P = I 2 R je vhodný pro elektrické obvody se sériovým zapojením vodičů, protože elektrický proud v takovém zapojení ve vodičích je stejný.

U paralelně zapojených vodičů je pohodlnější vyjádřit práci a výkon prostřednictvím jejich shodného elektrického napětí, s vyloučením síly elektrického proudu, tj. je lepší použít vzorec P = U²/R.

Pokud jsou elektrické spotřebiče zapojeny sériově nebo paralelně, jejich elektrický výkon se sčítá. V tomto případě se pro výpočet celkového výkonu používá následující vzorec:

P_celkový = P₁ + P₂ + … + P_n, kde P₁ , P₂ , … — výkon jednotlivých elektrických spotřebičů.

Jednotky měření a označení

Jednotkou měření výkonu v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) je watt. Ruské označení je: Út., mezinárodní: W). 1 W = 1 J/s. Ze vzorce P = U*I vyplývá, že: 1 watt = 1 volt * 1 ampér, neboli 1 W = 1 V*A.

Existují také jednotky výkonu, které jsou násobky wattů: hektawatt (gW), kilowatt (kW), megawatt (MW). Jinými slovy, 1 gW = 100 W, 1 kW = 1000 W, 1 MW = 1 000 000 W.

Jednotky výkonu používané v elektrotechnice jsou násobky wattu: mikrowatt (μW), miliwatt (mW), hektowatt (gW), kilowatt (kW) a megawatt (MW). Jinými slovy, 1 μW = 1*10⁻⁶ W, 6 mW = 1*1⁻³ W, 10 gW = 3*1⁻² W, 1 kW = 10*2⁻³ W, 1 MW = 1*10⁶ W.

Každý elektrický spotřebič má určitý výkon (uvedený na spotřebiči). Zde jsou typické hodnoty výkonu pro některé elektrické spotřebiče.

Dříve se k označení výkonu používala měrná jednotka koňských sil (hp), která je známá dodnes. Převeďte koňské síly na watty pomocí výrazu: 1 hp = 735.5 W.

Příklad výpočtu výkonu elektrického proudu

Nakonec si budete moci ověřit své znalosti na dvou běžných příkladech.

Představte si, že v prvním příkladu máte rezistor R = 50 Ohmů, kterým protéká elektrický proud I = 0,3 A. Jaký elektrický výkon se v tomto rezistoru přeměňuje?

Řešení najdete tak, že do něj dosadíte dané hodnoty pomocí odpovídajícího vzorce. To znamená, že dostaneme: P = I² R = 2² * 0,3 = 2 W

Ve druhém problému je dán rezistor R, jehož elektrický odpor je 700 Ohmů. V datovém listu je uvedeno, že maximální výkon tohoto rezistoru je 10 W. Jak vysoké může být napětí přivedené na tento rezistor?

Pro vyřešení tohoto problému zvolíme vhodný vzorec: P = U 2 /R, ze kterého zjistíme Umax = Pmax * R = 700 * 10 = 83,67 V.

To znamená, že maximální napětí může být 83,67 V. Pro jistotu byste měli zvolit elektrické napětí výrazně pod touto hranicí.

Podrobněji o tom, jak najít sílu elektrického proudu, jsem psal v článku: https://www.asutpp.ru/kak-nayti-moschnost.html

Měření výkonu elektrického proudu

Elektrický proud můžete měřit voltmetrem a ampérmetrem. Požadovaný výkon vynásobíte elektrickým napětím proudem. Elektrický proud a napětí lze zjistit z údajů na přístroji.

Nezapomeňte, že elektrické napětí musíte vždy určovat paralelně se zátěží a elektrický proud sériově.

Existují speciální přístroje – wattmetry, které určují výkon elektrického proudu v obvodu a v podstatě nahrazují dva přístroje – ampérmetr a voltmetr.

Jednotky měření elektrického proudu používané v praxi

V pasech spotřebičů elektřiny – žárovek, kamen, elektromotorů – je obvykle uvedena síla elektrického proudu v nich. Na základě výkonu je poměrně snadné najít práci elektrického proudu pro dané časové období, stačí použít vzorec A = P*t.

Vyjádříme-li výkon ve wattech a čas v sekundách, dostaneme práci v joulech: 1 W = 1 J/s, kde 1 J = 1 W*s.

Tato jednotka práce je však v praxi nepohodlná, protože elektrické přijímače ji spotřebovávají po dlouhou dobu, například v domácích spotřebičích – po dobu několika hodin, v elektrických vlacích – po dobu několika hodin nebo dokonce dnů, a výpočet spotřebované energie podle elektroměru se ve většině případů provádí jednou měsíčně.

Proto je při výpočtu práce proudu nebo spotřebované a vyrobené elektřiny ve všech těchto případech nutné tyto časové intervaly převádět na sekundy, což výpočty komplikuje.

Peryshkin A.V. Fyzika 8. – M.: Drofa, 2010. [2]

Proto je v praxi při výpočtu práce elektrického proudu pohodlnější vyjádřit čas v hodinách a práci elektrického proudu ne v joulech, ale v jiných jednotkách: například watthodina (W*h), hektowatthodina (gW*h), kilowatthodina (kW*h).

Peryshkin A.V. Fyzika 8. – M.: Drofa, 2010. [2]

Následující vztahy budou pravdivé:

• 1 W*h = 3600 J;
• 1 GWh = 100 Wh = 360 000 J;
• 1 kWh = 1000 Wh = 3 600 000 J.

Výzva. Existuje elektrická lampa navržená pro proud 100 wattů. Lampa pracuje 6 hodin denně. Potřebujeme vypočítat práci elektrického proudu za jeden měsíc (30 dní) a cenu spotřebované elektřiny za předpokladu, že tarif je 500 kopějek za jednu kW/h.

Zapišme si zadání problému a vyřešme ho.

Vstupní dataP = 100 W, t = 6 h * 30 = 180 h, tarif = 500 kW*h.

Řešení problému. Víme, že A = P*t, takže dostaneme: A = 100 W*180 h = 18 000 W*h = 18 kW*h.

Náklady vypočítáme takto: Náklady = 500 k/kWh * 18 kWh = 9000 kopějek = 90 rublů.

Odpověď: A = 18 kW*h, náklady na spotřebovanou elektřinu = 90 rublů.

Vztah mezi výkonem proudu a působením proudu v elektrickém obvodu

Porovnání proudového výkonu s jmenovitým výkonem elektrického zařízení nám umožňuje určit, jak silně je zařízení v elektrickém obvodu zatíženo. Pokud je proudový výkon menší než jmenovitý, pak účinek proudu není dostatečně intenzivní nebo se vůbec neprojevuje. Připojení výkonného zařízení ke slabému zdroji proudu v něm nevyvolá žádný jev. Zařízení určená pro nízký proudový výkon se při připojení ke zdrojům, které vytvářejí silné pole, spálí.

Seznam použité literatury

1. Fyzika, 8. třída, Isachenkova L.A., Leshchinsky Yu.D., Dorofeychik V.V., 2018
2. Peryshkin A.V. Fyzika 8. – M.: Drofa, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fyzika 8. – M.: Výchova.