Мощность — ключевая характеристика электроприборов, показывающая, сколько энергии требуется для их работы. С понятием мощности мы знакомимся еще на уроках физики, и это знание необходимо нам в жизни как для решения простых вопросов о покупке подходящего зарядного устройства для смартфона, так и для профессиональных изысканий в области энергосбережения.
Понятия тока, напряжения и работы
Для упрощенного рассмотрения электрического тока и связанных с ним понятий напряжения, работы и мощности, возьмем простую аналогию с потоком жидкости. Представьте себе трубку, по которой течет вода. Жидкость может течь из-за разности высот разных точек гибкой трубки или под напором из крана. Поток воды обладает потенциальной энергией, которую можно использовать, направив его, например, на лопасти водяной мельницы. В этом случае вода начнет выполнять работу, приводя в движение жернова.
Все тоже самое и с электрическим током. Если в проводнике в разных точках присутствует разный электрический потенциал, то в этом месте создается напряжение, заставляющее электроны перетекать от одной точки к другой. Это и есть электрический ток. Пока ток течет «впустую», он обладает некой энергией. Если мы направим ток на замкнутую металлическую рамку, находящуюся в магнитном поле, то рамка начнет вращаться, совершая работу, и именно по этому принципу работают электродвигатели.
Работа воды на мельнице зависит от силы напора воды и ее объема. Сравните силу воды из водяного пистолета и пожарного брандспойта. Очевидно, что в последнем случае вода совершает гораздо большую работу. Аналогично все происходит и с электрическим током. Чем сильнее напряжение (напор) и сила тока (объем воды), тем большую работу мы можем выполнить. Естественно, любая работа выполняется не мгновенно, а в течение какого-то промежутка времени, даже если это миллисекунды. Математически для цепей постоянного тока это выражается следующей формулой:
A = I × U × t,
где I — сила тока, U — напряжение, t — время.
Связь работы и мощности
Мощность электрического тока оценивается по количеству работы, которая выполняется в течение заданного времени. Из курса физики мы знаем, что мощность постоянного тока выражается простой формулой:
P = U × I
Постоянный ток — это электрический ток, который не меняет своего направления. Если вернуться к аналогии выше, то напор воды — это именно постоянный ток. Переменный ток в замкнутой цепи с определенной частотой изменяет свою полярность, а это приводит к запаздыванию напряжения. Для цепей переменного тока требуется учитывать сдвиг напряжения, который в векторной алгебре косинусом угла fi между векторами тока и напряжения:
P = U × I × cosfi
Если же вектора сонаправлены (угол между векторами равен 0 градусов), то косинус 0 превращается в единицу. Очевидно, что в формуле работы мы можем заменить произведение U × I на мощность и получим простую формулу:
A = P × t или P = A / t,
из чего следует, что мощность — это количество работы, совершаемой за единицу времени.
Наш калькулятор подходит для вычисления мощности постоянного или переменного тока: в формулу заложено итоговое значение мощности, поэтому нам не важен характер тока. Для использования инструмента достаточно заполнить две ячейки из трех, после чего неизвестное будет подсчитано автоматически. В школьных задачках вам потребуется вычислить мощность как произведение тока и напряжения, а в бытовых вопросах мощность всегда указывается на щитке электроприборов.
Примеры из реальной жизни
Школьная задача
В простых задачах по физике не требуется промежуточных вычислений. Давайте попробуем вычислить время работы прибора, если его мощность составляет 300 Вт, а выполненная работа равна 65 000 Дж. Для решения нам достаточно заполнить соответствующие ячейки и получить ответ, что электроприбор работал 216 секунд.
Бытовой расчет
Давайте вычислим, на сколько времени непрерывной работы хватает обычного смартфона. Известно, что емкость аккумулятора составляет 4,1 А·ч, мощность смартфона равна 3 Вт, а напряжение заряда составляет 5 В. Мы знаем, что количество запасенной энергии можно подсчитать, просто умножив емкость на напряжение. Получим, что аккумулятор смартфона запасает 20,5 Вт·ч. Переведем Вт·ч в Дж, зная, что 1 Вт·ч = 3 600 Дж. Получим, что энергия, запасаемая аккумулятором смартфона, равна 73 800 Дж. Теперь у нас есть все данные. Введем в соответствующие ячейки значения энергии и мощности и получим, что телефон способен непрерывно работать 24 600 секунд или почти 8 часов. Похоже на правду.
Заключение
Мощность электроприборов напрямую связана со временем работы и запасаемой в аккумуляторах энергии. Используйте наш онлайн-калькулятор для простых вычислений времени работы, энергии или мощности, а также для решения простых задачек по физике.