توان الکتریکی چیست؟ آموزش فرمول و واحد توان الکتریکی

چرا ما به توان اهمیت میدهیم؟ توان الکتریکی اندازه گیری انتقال انرژی در طول زمان است و انرژی نیز هزینه زیادی دارد. انرژی میتواند مضر باشد (با ایجاد گرما، تابش، صدا و …). توان بیشتر به معنای انرژی بیشتر است.

بنابراین بهتر است در هنگام انجام کار های الکترونیکی، بدانید که با چه توانی سر و کار دارید. در استفاده از آردوینو ها، روشن کردن LED ها و موتور ها، باید حواستان به میزان جریانی که از آردوینو کشیده میشود باشد زیرا کشیدن جریان زیاد، باعث ذوب شدن IC خواهد شد.

پیشنهاد میشود قبل از خواندن ادامه، مقالات زیر را بخوانید :

• برق چیست
• ولتاژ و جریان
• مدار چیست

فیلم زیر شما را به طور کامل با توان الکتریکی آشنا میکند:

توان الکتریکی چیست؟

منظور از توان الکتریکی چیست؟ انواع مختلفی از نیرو (توان) وجود دارد. اما در این مقاله آموزشی ، ما بر روی توان الکتریکی تمرکز خواهیم کرد. بنابراین توان الکتریکی چیست؟ در اصطلاحات فیزیک عمومی ، توان به عنوان سرعت جابه جایی یا تبدیل انرژی تعریف می شود.

بنابراین ، اول باید بدانیم انرژی چیست و چگونه جابه جا میشود. انرژی اساساً توانایی چیزی برای حرکت چیز دیگری است. انواع مختلفی از انرژی وجود دارد: مکانیکی ، الکتریکی ، شیمیایی ، الکترومغناطیسی ، حرارتی و….

انرژی هرگز نمی تواند ایجاد یا نابود شود، بلکه فقط به شکل دیگری منتقل می شود. بسیاری از کارهایی که ما در الکترونیک انجام می دهیم تبدیل انرژی الکتریکی است. LED های روشنایی ، انرژی الکتریکی را به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل می کنند. روشن کردن موتورها ، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. روشن کردن مدار با باتری 9 ولت ، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. همه اینها اشکال انتقال انرژی است.

انرژی الکتریکی به طور خاص ، به عنوان انرژی پتانسیل الکتریکی شروع می شود چیزی که ما از آن به عنوان ولتاژ یاد می کنیم. وقتی الکترونها از طریق انرژی پتانسیل عبور می کنند ، به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در بیشتر مدار ها، انرژی الکتریکی به شکل دیگری از انرژی تبدیل می شود. توان الكتریكی با میزان انتقال انرژی الكتریكی و سرعت انتقال آن اندازه گیری می شود.

تولید کننده و مصرف کننده انرژی

هر جزء در یک مدار انرژی الکتریکی را مصرف می کند یا تولید می کند. یک مصرف کننده انرژی الکتریکی را به شکل دیگری تبدیل می کند. به عنوان مثال ، هنگامی که یک LED روشن می شود ، انرژی الکتریکی به الکترومغناطیسی تبدیل می شود. در این حالت لامپ انرژی مصرف می کند. انرژی الکتریکی هنگامی تولید می شود که انرژی از شکل دیگری به الکتریکی منتقل شود. باتری منبع تغذیه مدار یک نمونه از تولید کننده برق است.

پادکست زیر شما را به طور کامل با توان الکتریکی آشنا میکند:

واحد توان الکتریکی

برای یادگیری کامل فرمول ها و محاسبات توان الکتریکی، مقاله قانون وات را بخوانید.

انرژی بر حسب ژول (J) اندازه گیری می شود. از آنجا که توان، اندازه گیری مصرف انرژی در مدت زمان مشخص است ، می توانیم آن را بر حسب ژول در ثانیه اندازه گیری کنیم. واحد SI برای ژول در ثانیه، وات است که با اختصار W نوشته می شود.

“وات” اغلب با یکی از پیشوند های استاندارد SI استفاده میشود مثل: میکرووات (μW) ، میلی وات (میلی وات) ، کیلووات (کیلووات) ، مگاوات (مگاوات) و گیگاوات (GW) که همه بسته به شرایط رایج هستند.

میکروکنترلر ها مانند آردوینو معمولاً در محدوده μW یا mW کار می کنند. کامپیوتر و لپ تاپ در محدوده استاندارد وات کار می کنند. مصرف انرژی یک خانه معمولاً در محدوده کیلو وات است. استادیوم های بزرگ ممکن است در مقیاس مگا وات کار کنند. و گیگا وات برای نیروگاه های بزرگ برق و ماشین های زمان به کار می رود.

انواع توان الکتریکی

• توان فعال (P): همچنین به عنوان توان واقعی شناخته می شود، توان واقعی مصرف شده توسط دستگاه های الکتریکی برای انجام کار مفید است. با وات (W) اندازه گیری می شود.
• توان راکتیو (Q): این توان برای حفظ میدان های الکتریکی و مغناطیسی در اجزای القایی و خازنی استفاده می شود. در ولت آمپر راکتیو (VAR) اندازه گیری می شود.
• توان ظاهری (S): این ترکیبی از توان اکتیو و راکتیو است و کل توان در یک مدار AC را نشان می دهد. بر حسب ولت آمپر (VA) اندازه گیری می شود.

آموزش محاسبه توان

نیروی الکتریکی سرعت انتقال انرژی است. توان بر حسب ژول بر ثانیه (J / s) یا همان وات (W) اندازه گیری می شود. چگونه می توانیم توان را در یک مدار محاسبه کنیم؟ خب ، ما یک اندازه گیری بسیار استاندارد داریم که شامل انرژی است ، ولتاژ (V) که بر اساس ژول در واحد coulomb(J / C) تعریف می شود. جریان، جریان شارژ را با توجه به آمپر (A) coulomb در ثانیه (C / s) اندازه گیری می کند. اگر این دو را کنار هم قرار دهید به توان الکتریکی میرسیم.

برای محاسبه توان یک جزء خاص در یک مدار ، افت ولتاژ روی آن را در جریان عبوری ضرب کنید.

P=VI

مثال اندازه گیری توان در مدار الکتریکی

در زیر یک مدار ساده وجود دارد: یک باتری 9 ولت که به یک مقاومت 10Ω متصل شده است.

چگونه توان مصرفی مقاومت را محاسبه کنیم؟ ابتدا باید جریان موجود در آن را با قانون اهم پیدا کنیم.

بسیار خب ، 900mA (0.9A) و 9V از طریق مقاومت عبور می کند. پس چه نوع نیرویی بر روی مقاومت اعمال می شود؟

یک مقاومت انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کند. بنابراین این مدار 8.1 ژول انرژی الکتریکی را در هر ثانیه به گرما تبدیل می کند.

محاسبه توان در مدارهای مقاومتی

وقتی نوبت به محاسبه توان در یک مدار کاملاً مقاومتی می رسد ، دانستن ولتاژ ، جریان و مقاومت تمام چیزی است که واقعاً به آن نیاز دارید.

با اتصال قانون اهم (V = IR یا I = V / R) به معادله توان مرسوم خود می توانیم دو معادله جدید ایجاد کنیم. صرفاً از نظر ولتاژ و مقاومت:

در مثال قبلی  ، 9V2 / 10Ω (V2 / R) برابر با 8.1 وات است و ما هرگز مجبور به محاسبه جریان عبوری از مقاومت نیستیم.

معادله توان می تواند فقط از نظر جریان و مقاومت تشکیل شود:

چرا ما به توانی که مقاومت مصرف میکند اهمیت میدهیم؟ به یاد داشته باشید که توان انتقال انرژی از یک نوع به نوع دیگر است. وقتی انرژی الکتریکی که از منبع انرژی در حال جریان است به مقاومت برخورد کند ، انرژی به گرما تبدیل میشود. تولید گرمای زیاد میتواند باعث خرابی در مدار شود، بنابراین به درجه های توان میرسیم.

درجه های توان

تمام اجزای الکترونیکی انرژی را از یک نوع به نوع دیگر منتقل می کنند. برخی انتقال انرژی ها مطلوب هستند مثلا خارج شدن نور از LED، چرخش موتور ها، شارژ باتری ها و … اما برخی انتقال های انرژی نا مطلوب هستند، که به آنها اتلاف توان میگویند و اغلب به صورت گرما ظاهر میشوند. اتلاف بیش از حد توان میتواند باعث ایجاد مشکل در مدار شود، مثلا گرمای زیاد LED را بسوزاند یا موتور را دچار آسیب کند.

اکثر قطعات دارای درجه بندی برای حداکثر توان نامطلوب هستند و مهم است که در محدوده ایمن کار کنند.

مثال اندازه گیری توان قطعات

هنگامی که می خواهید در مورد مقدار مقاومت محدود کننده جریان LED تصمیم گیری کنید ، درجه بندی مقاومت مهم است. برای مثال شما می خواهید با استفاده از یک باتری 9 ولت یک LED قرمز فوق العاده روشن 10 میلی متری را با حداکثر روشنایی روشن کنید.

آن LED حداکثر جریان مصرفی 80 میلی آمپر و ولتاژ حدود 2.2 ولت دارد. بنابراین برای تحویل 80 میلی آمپر به LED ، شما به یک مقاومت 85Ω نیاز دارید.

اختلاف ولتاژ دو سر مقاومت 6.8 ولت است و جریان انتقالی نیز 80 میلی آمپر است. توان مصرفی مقاومت 544 میلی وات و توان مصرفی LED برابر با 176 میلی وات است. یک مقاومت نیم وات برای اینجا خیلی مناسب نیست، احتمالاً ذوب نمی شود اما داغ می شود. بنابراین بهتر است که از یک مقاومت 1 وات استفاده شود.

مقاومت ها قطعاً تنها جزء هایی نیستند که باید درجه بندی توان برای آن ها نظر گرفته شود. هر جزئی از مدار که خاصیت مقاومتی داشته باشد باعث تولید حرارت می شود. کار با اجزایی که معمولاً در معرض مصرف توان زیاد قرار دارند، به عنوان مثال تنظیم کننده های ولتاژ ، دیودها ، تقویت کننده ها و درایورهای موتور نیازمند بررسی دقیق توان است.

منابع و کاربرد ها

انرژی الکتریکی از منابع مختلفی تولید می شود، از جمله:

• سوخت های فسیلی: زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت.
• انرژی هسته ای: استفاده از واکنش های هسته ای برای تولید گرما و تولید برق.
• منابع تجدید پذیر: انرژی خورشیدی، باد، برق آبی و زمین گرمایی.

پس از تولید، برق از طریق خطوط برق منتقل می شود و به خانه ها، مشاغل و صنایع توزیع می شود.

انرژی الکتریکی در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود، از جمله:

• روشنایی: تغذیه لامپ ها و چراغ های LED.
• گرمایش و سرمایش: بخاری، تهویه مطبوع و یخچال در حال کار.
• الکترونیک: تامین انرژی کامپیوترها، گوشی های هوشمند و سایر وسایل الکترونیکی.
• ماشین آلات صنعتی: موتورهای در حال کار، پمپ ها و سایر تجهیزات صنعتی.

سوالات متداول

توان چیست؟

وقتی الکترونها از طریق انرژی پتانسیل عبور می کنند ، به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. در بیشتر مدار ها، انرژی الکتریکی به شکل دیگری از انرژی تبدیل می شود. توان الكتریكی با میزان انتقال انرژی الكتریكی و سرعت انتقال آن اندازه گیری می شود.

اتلاف توان چیست؟

برخی انتقال انرژی ها مطلوب هستند مثلا خارج شدن نور از LED، چرخش موتور ها، شارژ باتری ها و … اما برخی انتقال های انرژی نا مطلوب هستند، که به آنها اتلاف توان میگویند و اغلب به صورت گرما ظاهر میشوند.

توان الکتریکی چگونه محاسبه میشود؟

برای محاسبه توان یک جزء خاص در یک مدار ، افت ولتاژ روی آن را در جریان عبوری ضرب کنید یعنی P=VI