Strom in Stromkreisen

Neben Spannung und Strom gibt es einen weiteren wichtigen Parameter in Bezug auf Stromkreise:Leistung . Zuerst müssen wir verstehen, was Leistung ist, bevor wir sie in irgendwelchen Schaltkreisen analysieren.

Was ist Macht und wie messen wir sie?

Die Leistung ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit in einer bestimmten Zeit ausgeführt werden kann. Arbeit wird allgemein als das Heben eines Gewichts gegen die Schwerkraft definiert. Je schwerer das Gewicht und/oder je höher es angehoben wird, desto mehr Arbeit wurde geleistet. Macht ist ein Maß dafür, wie schnell eine Standardarbeitsmenge erledigt wird.

Bei amerikanischen Automobilen wird die Motorleistung in einer Einheit namens "Pferdestärke" angegeben, die ursprünglich für Dampfmaschinenhersteller erfunden wurde, um die Arbeitsfähigkeit ihrer Maschinen in Bezug auf die gebräuchlichste Energiequelle ihrer Zeit zu quantifizieren:Pferde.

Ein PS wird in britischen Einheiten als 550 ft-lbs Arbeit pro Sekunde definiert. Die Motorleistung eines Autos zeigt nicht an, wie hoch ein Hügel es erklimmen oder wie viel Gewicht es ziehen kann, aber es zeigt an, wie schnell es kann einen bestimmten Hügel erklimmen oder ein bestimmtes Gewicht ziehen.

Die Leistung eines mechanischen Motors hängt sowohl von der Drehzahl des Motors als auch von seinem an der Abtriebswelle bereitgestellten Drehmoment ab. Die Drehzahl der Abtriebswelle eines Motors wird in Umdrehungen pro Minute oder U/min gemessen.

Das Drehmoment ist die vom Motor erzeugte Verdrehkraft und wird normalerweise in Pfund-Fuß oder lb-ft gemessen (nicht zu verwechseln mit Fuß-Pfund oder ft-lbs, der Einheit für Arbeit). Weder Drehzahl noch Drehmoment allein sind ein Maß für die Motorleistung.

Ein 100-PS-Diesel-Traktormotor dreht sich relativ langsam, liefert aber ein hohes Drehmoment. Ein 100-PS-Motorradmotor dreht sich sehr schnell, liefert aber relativ wenig Drehmoment. Beide werden 100 PS leisten, jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen Drehmomenten. Die Gleichung für die Wellenleistung ist einfach:

Beachten Sie, dass es auf der rechten Seite der Gleichung nur zwei variable Terme gibt, S und T. Alle anderen Terme auf dieser Seite sind konstant:2, pi und 33.000 sind alle Konstanten (deren Wert ändert sich nicht). Die PS ändert sich nur mit Änderungen von Drehzahl und Drehmoment, sonst nichts. Wir können die Gleichung umschreiben, um diese Beziehung zu zeigen:

Da die Einheit der "PS" nicht genau mit der Geschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute multipliziert mit dem Drehmoment in Pfund-Fuß übereinstimmt, können wir nicht sagen, dass PS gleich ist ST. Sie sind jedoch proportional zueinander. Wenn sich das mathematische Produkt von ST ändert, ändert sich der Wert für PS im gleichen Verhältnis.

Leistung als Funktion von Spannung und Strom

In elektrischen Schaltkreisen ist die Leistung eine Funktion von Spannung und Strom. Es überrascht nicht, dass diese Beziehung eine auffallende Ähnlichkeit mit der obigen Formel für die „proportionale“ PS hat:

In diesem Fall ist die Leistung (P) jedoch genau gleich dem Strom (I) multipliziert mit der Spannung (E) und nicht nur proportional zu IE. Bei Verwendung dieser Formel ist die Maßeinheit für die Leistung Watt , abgekürzt mit dem Buchstaben „W.“

Es muss verstanden werden, dass weder Spannung noch Strom allein Leistung darstellen. Leistung ist vielmehr die Kombination aus Spannung und Strom in einem Stromkreis. Denken Sie daran, dass Spannung die spezifische Arbeit (oder potenzielle Energie) pro Ladungseinheit ist, während Strom die Geschwindigkeit ist, mit der sich elektrische Ladungen durch einen Leiter bewegen.

Spannung (spezifische Arbeit) ist analog zu der Arbeit, die beim Heben eines Gewichts gegen die Schwerkraft verrichtet wird. Strom (Rate) entspricht der Geschwindigkeit, mit der das Gewicht gehoben wird. Zusammen als Produkt (Multiplikation) bilden Spannung (Arbeit) und Strom (Rate) die Leistung.

Ebenso wie beim Traktor-Diesel- und Motorradmotor kann ein Stromkreis mit hoher Spannung und niedrigem Strom die gleiche Leistung verbrauchen wie ein Stromkreis mit niedriger Spannung und hohem Strom. Weder die Spannung allein noch die Stromstärke allein zeigt die Leistung in einem Stromkreis an.

Strom in einem offenen/Kurzschluss

In einem offenen Stromkreis, in dem zwischen den Anschlüssen der Quelle Spannung anliegt und kein Strom vorhanden ist, gibt es Null Verlustleistung, egal wie groß diese Spannung auch sein mag. Da P=IE und I=0 und alles, was mit Null multipliziert wird, Null ist, muss die Verlustleistung in jedem offenen Stromkreis Null sein.

Ebenso, wenn wir einen Kurzschluss aus einer Schleife aus supraleitendem Draht (absolut null Widerstand) hätten, könnten wir einen Stromzustand in der Schleife mit Nullspannung haben, und ebenso würde keine Energie verloren gehen. Da P=IE und E=0 und alles, was mit Null multipliziert wird, Null ist, muss die Verlustleistung in einer supraleitenden Schleife Null sein. (Wir werden das Thema Supraleitung in einem späteren Kapitel untersuchen).

In welcher Beziehung steht Pferdestärke zu Watt?

Ob wir die Leistung in der Einheit „PS“ oder in der Einheit „Watt“ messen, wir reden immer noch über dasselbe:wie viel Arbeit in einer bestimmten Zeit erledigt werden kann. Die beiden Einheiten sind numerisch nicht gleich, aber sie drücken dasselbe aus.

Tatsächlich geben europäische Automobilhersteller ihre Motorleistung normalerweise in Kilowatt (kW) oder Tausenden von Watt statt in PS an! Diese beiden Leistungseinheiten werden durch eine einfache Umrechnungsformel miteinander in Beziehung gesetzt:

So könnten unsere 100 PS starken Diesel- und Motorradmotoren auch als „74570 Watt“-Motoren oder besser als „74,57 Kilowatt“-Motoren eingestuft werden. In europäischen technischen Spezifikationen wäre diese Bewertung eher die Norm als die Ausnahme.

RÜCKBLICK:

• Leistung ist das Maß dafür, wie viel Arbeit in einer bestimmten Zeit erledigt werden kann.
• Mechanische Leistung wird (in Amerika) üblicherweise in "PS" gemessen.
• Elektrische Leistung wird fast immer in „Watt“ gemessen und kann mit der Formel P =IE berechnet werden.
• Elektrische Leistung ist ein Produkt aus Spannung und aktuell, nicht einzeln.
• Pferdestärke und Watt sind lediglich zwei verschiedene Einheiten zur Beschreibung derselben Art von physikalischen Messungen, wobei 1 PS 745,7 Watt entspricht.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Power-Arbeitsblatt
• Arbeitsblatt Energie, Arbeit, Leistung