Power in elektrische circuits

Naast spanning en stroom is er nog een andere belangrijke parameter met betrekking tot elektrische circuits:vermogen . Eerst moeten we begrijpen wat vermogen is voordat we het in circuits analyseren.

Wat is vermogen en hoe meten we het?

Vermogen is een maat voor hoeveel werk er in een bepaalde tijd kan worden verricht. Werk wordt over het algemeen gedefinieerd in termen van het optillen van een gewicht tegen de zwaartekracht in. Hoe zwaarder het gewicht en/of hoe hoger het wordt getild, hoe meer werk er is verzet. Kracht is een maatstaf voor hoe snel een standaard hoeveelheid werk wordt gedaan.

Voor Amerikaanse auto's wordt het motorvermogen uitgedrukt in een eenheid die 'paardenkracht' wordt genoemd, oorspronkelijk uitgevonden als een manier voor fabrikanten van stoommachines om het werkvermogen van hun machines te kwantificeren in termen van de meest voorkomende krachtbron van hun tijd:paarden.

Eén pk wordt in Britse eenheden gedefinieerd als 550 ft-lbs werk per seconde tijd. Het vermogen van de motor van een auto geeft niet aan hoe hoog een heuvel hij kan beklimmen of hoeveel gewicht hij kan trekken, maar het geeft aan hoe snel het kan een specifieke heuvel beklimmen of een specifiek gewicht trekken.

Het vermogen van een mechanische motor is een functie van zowel het motortoerental als het koppel dat aan de uitgaande as wordt geleverd. De snelheid van de uitgaande as van een motor wordt gemeten in omwentelingen per minuut of RPM.

Koppel is de hoeveelheid draaikracht die door de motor wordt geproduceerd en wordt meestal gemeten in pond-voet of lb-ft (niet te verwarren met foot-pounds of ft-lbs, de eenheid voor werk). Noch snelheid, noch koppel alleen is een maatstaf voor het vermogen van een motor.

Een dieselmotor van 100 pk zal relatief langzaam draaien, maar een groot koppel leveren. Een motorfietsmotor van 100 pk zal zeer snel draaien maar relatief weinig koppel leveren. Beide zullen 100 pk produceren, maar met verschillende snelheden en verschillende koppels. De vergelijking voor asvermogen is eenvoudig:

Merk op dat er slechts twee variabele termen aan de rechterkant van de vergelijking zijn, S en T. Alle andere termen aan die kant zijn constant:2, pi en 33.000 zijn allemaal constanten (ze veranderen niet in waarde). Het vermogen varieert alleen met veranderingen in snelheid en koppel, niets anders. We kunnen de vergelijking herschrijven om deze relatie te tonen:

Omdat de eenheid van "pk" niet precies samenvalt met snelheid in omwentelingen per minuut vermenigvuldigd met koppel in pond-voet, kunnen we niet zeggen dat paardenkracht gelijk is aan ST. Ze zijn echter proportioneel naar elkaar. Naarmate het wiskundige product van ST verandert, verandert de waarde voor pk's in dezelfde verhouding.

Vermogen als functie van spanning en stroom

In elektrische circuits is vermogen een functie van zowel spanning als stroom. Het is niet verrassend dat deze relatie een opvallende gelijkenis vertoont met de bovenstaande "proportionele" pk-formule:

In dit geval is vermogen (P) echter exact gelijk aan stroom (I) vermenigvuldigd met spanning (E), in plaats van alleen evenredig te zijn met IE. Bij gebruik van deze formule is de meeteenheid voor vermogen watt , afgekort met de letter "W."

Het moet duidelijk zijn dat noch spanning noch stroom op zichzelf macht vormen. In plaats daarvan is vermogen de combinatie van zowel spanning en stroom in een stroomkring. Onthoud dat spanning de specifieke arbeid (of potentiële energie) per eenheid lading is, terwijl stroom de snelheid is waarmee elektrische ladingen door een geleider bewegen.

Spanning (specifiek werk) is analoog aan het werk dat wordt gedaan bij het optillen van een gewicht tegen de zwaartekracht in. Stroom (snelheid) is analoog aan de snelheid waarmee dat gewicht wordt opgetild. Samen als een product (vermenigvuldiging), spanning (werk) en stroom (snelheid) vormen macht.

Net als in het geval van de dieseltractormotor en de motorfietsmotor, kan een circuit met hoge spanning en lage stroom dezelfde hoeveelheid vermogen dissiperen als een circuit met lage spanning en hoge stroom. Noch de hoeveelheid spanning alleen, noch de hoeveelheid stroom alleen geeft de hoeveelheid stroom in een elektrisch circuit aan.

Stroom in een open/kortsluiting

In een open circuit, waar spanning aanwezig is tussen de klemmen van de bron en er geen stroom is, is er nul vermogen gedissipeerd, hoe groot die spanning ook is. Aangezien P=IE en I=0 en alles vermenigvuldigd met nul nul is, moet het gedissipeerde vermogen in een open circuit nul zijn.

Evenzo, als we een kortsluiting zouden hebben die is opgebouwd uit een lus van supergeleidende draad (absoluut nulweerstand), zouden we een toestand van stroom in de lus kunnen hebben met nulspanning, en evenzo zou er geen stroom worden gedissipeerd. Aangezien P=IE en E=0 en alles vermenigvuldigd met nul nul is, moet het in een supergeleidende lus gedissipeerde vermogen nul zijn. (In een later hoofdstuk zullen we het onderwerp supergeleiding onderzoeken).

Hoe is paardenkracht gerelateerd aan watt?

Of we het vermogen nu meten in de eenheid "pk" of de eenheid "watt", we hebben het nog steeds over hetzelfde:hoeveel werk kan er in een bepaalde tijd worden gedaan. De twee eenheden zijn numeriek niet gelijk, maar ze drukken hetzelfde uit.

In feite adverteren Europese autofabrikanten hun motorvermogen doorgaans in kilowatt (kW), of duizenden watt, in plaats van pk's! Deze twee vermogenseenheden zijn aan elkaar gerelateerd door een eenvoudige conversieformule:

Dus onze diesel- en motorfietsmotoren van 100 pk kunnen ook worden beoordeeld als "74570 watt" -motoren, of beter gezegd, als "74,57 kilowatt" -motoren. In Europese technische specificaties zou deze beoordeling eerder de norm dan de uitzondering zijn.

BEOORDELING:

• Kracht is de maatstaf voor hoeveel werk er in een bepaalde tijd kan worden gedaan.
• Mechanische kracht wordt vaak gemeten (in Amerika) in "paardenkracht".
• Elektrisch vermogen wordt bijna altijd gemeten in 'watt' en kan worden berekend met de formule P =IE.
• Elektrische stroom is een product van zowel spanning en stroom, geen van beide afzonderlijk.
• Paardenkracht en watt zijn slechts twee verschillende eenheden voor het beschrijven van dezelfde soort fysieke metingen, waarbij 1 pk gelijk is aan 745,7 watt.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Krachtblad
• Werkblad Energie, Werk, Kracht