Capitolul 2 - Legea lui Ohm

Pe lângă tensiune și curent, există un alt parametru important legat de circuitele electrice: puterea. În primul rând, trebuie să înțelegem exact ce putere este înainte să o analizăm în orice circuite.

Ce este puterea și cum o măsurăm?

Puterea este o măsură a cât de multă muncă poate fi efectuată într-un anumit timp. Munca este în general definită în termeni de ridicare a unei greutăți împotriva tragerii gravitației. Cu cât este mai mare greutatea și/sau cu cât este ridicată, cu atât s-a făcut mai multă muncă. Puterea este o măsură a rapidității cu care se face o cantitate standard de muncă.

Pentru automobilele americane, puterea motorului este evaluată într-o unitate numită „putere”, inventată inițial ca o modalitate pentru producătorii de motoare cu aburi de a cuantifica capacitatea de lucru a mașinilor lor în ceea ce privește cea mai comună sursă de energie din zilele lor: caii.

O unitate de putere este definită în unitățile britanice ca 550 ft-lbs de muncă pe secundă de timp. Puterea motorului unei mașini nu va indica cât de înalt poate urca un deal sau cât de mult poate trage greutatea, dar va indica cât de repede poate urca un anumit deal sau poate remorca o anumită greutate.

Puterea unui motor mecanic este o funcție atât a turației motorului, cât și a cuplului său asigurat la arborele de ieșire. Viteza arborelui de ieșire al unui motor se măsoară în rotații pe minut sau RPM.

Cuplul este cantitatea de forță de răsucire produsă de motor și este de obicei măsurată în lire-picioare sau lb-ft (nu trebuie confundată cu picioarele-lire sau ft-lbs, care este unitatea pentru lucru). Nici viteza, nici cuplul nu reprezintă o măsură a puterii unui motor.

Un motor diesel de 100 de cai putere se va întoarce relativ lent, dar va oferi cantități mari de cuplu. Un motor de motocicletă de 100 de cai putere va întoarce foarte repede, dar va oferi un cuplu relativ mic. Ambele vor produce 100 de cai putere, dar la viteze diferite și cupluri diferite. Ecuația pentru puterea arborelui este simplă:

electronics

Observați cum există doar doi termeni variabili pe partea dreaptă a ecuației, S și T. Toți ceilalți termeni de pe acea parte sunt constanți: 2, pi și 33.000 sunt constante (nu se schimbă în valoare). Puterea variază numai în funcție de schimbările de viteză și cuplu, nimic altceva. Putem rescrie ecuația pentru a arăta această relație:

Deoarece unitatea „puterii” nu coincide exact cu viteza în rotații pe minut înmulțită cu cuplul în lire-picioare, nu putem spune că puterea este egală cu ST. Cu toate acestea, ele sunt proporționale între ele. Pe măsură ce produsul matematic al ST se schimbă, valoarea pentru cai putere se va modifica cu aceeași proporție.

Puterea ca funcție de tensiune și curent

În circuitele electrice, puterea este o funcție atât a tensiunii, cât și a curentului. Nu este surprinzător că această relație are o asemănare izbitoare cu formula „proporțională” de cai de mai sus:

Cu toate acestea, în acest caz, puterea (P) este exact egală cu curentul (I) înmulțit cu tensiunea (E), mai degrabă decât doar proporțională cu IE. Atunci când se utilizează această formulă, unitatea de măsură pentru putere este wattul, abreviat cu litera „W.”

Trebuie să se înțeleagă că nici tensiunea, nici curentul în sine nu constituie putere. Mai degrabă, puterea este combinația atât a tensiunii, cât și a curentului într-un circuit. Amintiți-vă că tensiunea este munca specifică (sau energia potențială) per unitate de încărcare, în timp ce curentul este viteza la care sarcinile electrice se deplasează printr-un conductor.

Tensiunea (lucrarea specifică) este analogă muncii efectuate la ridicarea unei greutăți împotriva tragerii gravitației. Curentul (viteza) este analog vitezei cu care se ridică greutatea respectivă. Împreună ca produs (multiplicare), tensiunea (funcționarea) și curentul (rata) constituie putere.

La fel ca în cazul motorului tractorului diesel și al motorului motocicletei, un circuit cu tensiune înaltă și curent scăzut poate disipa aceeași cantitate de putere ca un circuit cu tensiune scăzută și curent mare. Nici cantitatea de tensiune singură și nici cantitatea de curent nu indică cantitatea de putere într-un circuit electric.

Alimentare într-un circuit deschis/scurtcircuit

Într-un circuit deschis, în care tensiunea este prezentă între bornele sursei și există curent zero, există o putere disipată zero, oricât de mare ar fi această tensiune. Deoarece P = IE și I = 0 și orice înmulțit cu zero este zero, puterea disipată în orice circuit deschis trebuie să fie zero.

La fel, dacă ar fi să avem un scurtcircuit construit dintr-o buclă de sârmă supraconductoare (rezistență absolut nulă), am putea avea o stare de curent în buclă cu tensiune zero și, la fel, nicio putere nu ar fi disipată. Deoarece P = IE și E = 0 și orice înmulțit cu zero este zero, puterea disipată într-o buclă supraconductoare trebuie să fie zero. (Vom explora tema superconductivității într-un capitol ulterior).

Cum este legată puterea de cai de wați?

Indiferent dacă măsurăm puterea în unitatea de „cai putere” sau în unitatea de „wați”, vorbim în continuare despre același lucru: cât de multă muncă se poate face într-un anumit timp. Cele două unități nu sunt egale numeric, dar exprimă același tip de lucru.

De fapt, producătorii europeni de automobile își promovează de obicei puterea motorului în termeni de kilowați (kW) sau mii de wați, în loc de cai putere! Aceste două unități de putere sunt legate între ele printr-o formulă simplă de conversie:

Deci, motoarele noastre de 100 de cai putere diesel și motociclete ar putea fi, de asemenea, calificate ca motoare „74570 watt” sau, mai corect, ca motoare „74,57 kilowați”. În specificațiile inginerești europene, acest rating ar fi mai degrabă norma decât excepția.

REVIZUIRE:

  • Puterea este măsura cât de multă muncă se poate face într-un anumit timp.
  • Puterea mecanică este de obicei măsurată (în America) în „cai putere”.
  • Puterea electrică este aproape întotdeauna măsurată în „wați” și poate fi calculată prin formula P = IE.
  • Puterea electrică este un produs atât de tensiune cât și de curent, nu unul separat.
  • Puterea și wații sunt doar două unități diferite pentru descrierea aceluiași tip de măsurare fizică, cu 1 cai egale cu 745,7 wați.