1.5. Villamos munka és villamos teljesítmény

Ha egy q töltést U feszültség a tér (vezeték, áramkör) egyik pontjából a másikba mozgat, akkor W=q*U munkát végez. 

Mivel q = I*t ahol I az áramerősség, vagyis egy vizsgált felületen időegység alatt átáramlott töltések száma (mértékegysége: A), t az idő (s)

W= U*q = U*I*t

Ha megnézzük az időegységre eső munkát (P=W/t), megkapjuk az áramköri elem munkavégző képességét jelemző mennyiséget, a teljesítményt.

P= W/t= U*I*t/t = U*I

P=U*I = U²/R = I²*R

A hatásfok

Minden átalakító a rákapcsolt villamos energiának csak egy bizonyos hányadát képes a kívánt formájú energiává átalakítani. Az energia egy része nem hasznosítható energiává (általában hővé) alakul át. Ez az adott rendszerben mindig veszteségként jelentkezik. A hatásfokot a hasznosított és a befektetett energia hányadosából kapjuk:

η = W_h/W_be, ahol Wbe = Wh + Wv.

- Wbe: a befektetett energia,
- Wh: a hasznos energia,
- Wv: a veszteségi energia.
Wh < Wbe, ezért a hatásfok kisebb egynél.
A hatásfokot megadhatjuk %-ban is, például: η = 0,27, 27 %-ot jelent.
 

A hatásfok értelmezhető teljesítményre is:

η =P_h/P_be.

Villamos készülékek hatásfoka

A villamos készülékek hatásfoka általában jó. Egy villanymotor 60-80 %-os, a transzformátor 80-99 %-os hatásfokkal üzemel, viszont az izzólámpa csak 4 %-nyi fényenergiát állít elı a rákapcsolt villamos teljesítményből.

100%-os hatásfokról akkor beszélünk, ha a villamos berendezés a teljes befektetett energiát hasznosítja.
 

Befektetett energia
Az az energia, amit közöltünk a rendszerrel.
 

Hasznosított energia
A hasznosított energia olyan energia, ami a kívánalmaknak megfelelı formában hasznosul.
 

Az egyenáramú teljesítmény és munka mérésének lehetőségei
 

A villamos energia
 

A felhasznált villamos energiát fogyasztásmérővel mérjük, amely minden háztartásban megtalálható, és a fogyasztóval sorosan kell kapcsolni, hogy azonos áram folyjon át rajtuk. A műszer az U·I szorzattal arányos sebességgel egy tárcsát forgat, amely egy számlálóval van összeköttetésben. A számláló annál többet mutat, minél gyorsabban forog a tárcsa, vagyis minél nagyobb a fogyasztó árama, illetve minél tovább van bekapcsolva a fogyasztó.

A teljesítmény mérése

A gyakorlatban a villamos teljesítményt wattmérıvel mérik. A mőszernek van egy áram és egy feszültségtekercse.
• Az áramtekercs a fogyasztón folyó áramot méri, ezért a fogyasztóval sorosan kell kapcsolni.
• A feszültségtekercs a fogyasztón esı feszültséget méri, ezért a fogyasztóval párhuzamosan kell kapcsolni.
A wattmérő (teljesítménymérő) az áram és a feszültség szorzatát képezi, és a mutató a szorzattal arányosan tér ki. A műszer használatánál ügyeljünk arra, hogy kétféle mennyiséget vizsgálunk, és egyik mennyiség nagysága se haladja
meg a műszeren feltüntetett értéket (az áram, illetve a feszültség méréshatárát).

Maximális teljesítmény

Minden fogyasztónak van egy jól meghatározott maximális teljesítménye, amelynél nagyobbat nem képes átalakítani.
Ezt az értéket a fogyasztón feltüntetik. Pl. 25 W-os izzó, 1200 W-os porszívó. Ha a fogyasztóra nagyobb teljesítményt kapcsolunk, akkor az károsodhat. Az elektromos berendezések ellenállása gyárilag beállított állandó érték, ezért teljesítményüket a rájuk kapcsolt feszültség határozza meg. Ezen oknál fogva nem szabad például egy 12 V-os készüléket 24 V-tal , vagy egy 110 V-osat 230 V-tal megtáplálni. Mivel a teljesítmény négyzetesen függ a feszültségtől, így a kétszer nagyobb feszültséghez négyszer nagyobb teljesítmény tartozik.

A terhelhetőség

Az elektronikus berendezések alkatrészei (ellenállás, tranzisztor stb.) annak ellenére, hogy nem ez a feladatuk, az elektromos teljesítmény egy részét hővé alakítják át. Ettől a hőmennyiségtől csak sugárzással, azaz disszipálással tudnak megszabadulni. Alkatrészeknél ezért teljesítmény helyett terhelhetıségről beszélünk. A terhelhetőség az a legnagyobb elektromos teljesítmény, amely az alkatrészen hővé alakulhat.

jele: P_d

A terhelhetőség értékét a fogyasztón átfolyó áram és a rajta eső feszültség szorzatával adhatjuk meg:
P_d = U·I, ezért
[P_d] = W.

Az ellenállások terhelhetősége

Az ellenállások terhelhetőségének szabványosított értékei vannak: 1 W, 0,5 W, 0,25 W, 0,1 W, 0,05 W.
A terhelhetőséget elsősorban az alábbi tényezők határozzák meg:
• az ellenállás geometriai mérete,
• a védőbevonat anyaga.
Ezért a nagyobb mérető ellenállásnak a terhelhetősége is nagyobb.

Az ellenállások terhelhetőségének meghatározása
Az ellenállások terhelhetőségét a műszaki paramétereiből és a geometriai méreteiből is meg lehet határozni. Az ellenállás üzemi feszültsége ugyanis az

U_N= √(P_d*R)

összefüggéssel határozható meg. Ebből a terhelhetőség:

P_d= U_N²/R

Tehát a terhelhetőséget az üzemi feszültség és a névleges érték határozza meg.
A geometriai méretekből pontosabban is meghatározható az ellenállások terhelhetősége, de ehhez ismernünk kell az ellenállás kialakítását (huzal, réteg, tömör), a vezető rész és a szigetelés anyagának fizikai jellemzőit valamint a vezető keresztmetszetet. Bonyolultsága miatt ezt a számítási módot csak a gyártáskor használják.