Энергия передается при помощи электрических цепей. В физике передача энергии обозначается $w$. Переход электромагнитной энергии в тепловую, в том числе процесс рассеивания энергии, характеризуется многочисленными преобразованиями и интенсивностью.
Интенсивность передачи или преобразования энергии принято называть мощностью. Она обозначается латинской буквой $p$.
Такие сложные процессы можно записать в виде математической формулы:
$p=\frac{dw}{dt}$
Иными словами, данным образом определяют, сколько энергии передается за определенную единицу времени. Тот же принцип действует при расчете рассеивания энергии за единицу времени.
Мгновенная мощность
Для мгновенного определения мощности в электрической цепи вводится формула в виде:
$p = ui$
Мгновенная мощность обладает двумя видами элементов:
- постоянной составляющей;
- гармонической составляющей.
Мгновенная мощность имеет угловую частоту, которая превышает угловую частоту напряжения и тока в два раза. При отрицательных значениях мгновенной мощности энергия будет возвращаться к источнику питания. Это говорит о том, что направления напряжения и тока имеют противоположные значения в двухполюснике.
Подобное возвращение энергии к источнику происходит из-за того, что идет энергетический запас в электрических и магнитных полях на уровне емкостных и индуктивных элементов. Они входят в состав двухполюсника.
Активная мощность – среднее значение мгновенной мощности за определенный период времени.
$P = UI cos \phi$
Активная мощность при потреблении пассивным двухполюсником не имеет отрицательных значений. На входе пассивного двухполюсника будет фиксироваться $cos \phi \geq 0$. Ситуация, при которой $P=0$, возможна в теории, но только для двухполюсника без активных сопротивлений. В нем должны быть:
- емкостные элементы;
- идеальные индуктивные элементы.
Идеальная емкость
Конденсаторы являются идеальной емкостью в электрической цепи. В катушке индуктивности и конденсаторах активная мощность не потребляется, то есть $P=0$. В этот момент не происходит преобразования энергии в иные ее виды необратимого характера, а фиксируется лишь циркуляция имеющейся энергии. То есть электрическая энергия запасается в электрическом поле конденсатора или магнитном поле катушки. Процесс происходит примерно на протяжении 25 процентов времени периода. Затем энергия снова возвращается в сеть.
Конденсатор и катушку индуктивности из-за происходящих в них процессов иногда называют реактивными элементами. Их сопротивления принято называть реактивными. Исключение составляет резистор, так как он обладает активным сопротивлением.
Интенсивность обмена энергии характеризуется:
- самым большим значением скорости поступления энергии в магнитное поле катушки;
- наибольшей скоростью поступления энергии в электрическое поле конденсатора.
Эту интенсивность часто называют реактивной мощностью. Математическое выражение для реактивной мощности выглядит следующим образом:
$Q = UI sin \phi$
При индуктивной нагрузке $\phi \geq 0$ реактивная мощность будет иметь положительные значения. При опережающем токе емкостной нагрузке – отрицательные.
Реактивная мощность для идеальной катушки индуктивности будет пропорциональна максимальному запасу энергии в катушке и частоте.
Коэффициент мощности – отношение полной мощности к активной мощности. Он равен косинусу угла сдвига между напряжением и током.
Помимо активной и полной мощности используют понятие комплексной мощности. Реактивная мощность характеризуется циркуляцией между потребителем и источником. Реактивный ток не совершает работу, что приводит к неоправданным потерям в силовом оборудовании. Это ведет к повышению уровня установленной мощности. Поэтому в настоящее время существует тенденция на увеличение мощности в электрических цепях.
Многие потребители в виде различных электродвигателей и иных приборов и устройств используют нагрузку активно-индуктивного характера. При условии подключения к подобной нагрузке конденсаторов общий ток потребителя приблизится к значениям фазы по напряжению. Это означает, что он увеличивается, но общая величина тока уменьшается при условии постоянной активной мощности. Этот факт приводит к потере общей величины тока в электрических цепях. Конденсаторы призваны повышать мощность.
Электрическая цепь с емкостью
Конденсаторы являются элементами электрической цепи, которые обладают значительной емкостью. Любые два проводника, расположенные рядом, имеют собственные емкости. При небольшой поверхности проводника емкость весьма небольшая, поэтому ее обычно не берут в расчет.
При рассмотрении электрической цепи выделяют основные ее элементы:
- конденсатор;
- источник питания;
- емкость.
Конденсаторы являются идеальными диэлектриками, поэтому его активное сопротивление равно нулю. К электрической цепи с конденсатором подводят напряжение. Под его воздействием возникает ток. В это время на каждой стороне конденсатора начинает скапливаться заряд.
Емкость является главным параметром электрической цепи. Под емкостью между двумя телами называют отношение абсолютной величины заряда одного из тел к разности потенциалов, которая возникает между этими телами. Это действие обуславливает заряд в данных телах. Подобный процесс можно описать при помощи формулы в виде:
$C = \frac{q}{U}$
Емкость, как основной параметр электрической цепи, можно охарактеризовать в интегральной форме электрического поля участка цепи. Им является конденсатор. Подобная форма зависит от геометрических размеров, формы электродов, а также электрических свойств среды между электродами конденсатора.
Емкость измеряют в фарадах. Также применяются более мелкие единицы измерения (микрофарады, нанофарады и другие).
