تعريف القدرة الكهربائية
القدرة الكهربائية: هي المعدل الذي يتم به العمل في الدائرة الكهربائية، بمعنى آخر، يتم تعريف القدرة الكهربائية على أنّها معدل نقل الطاقة. يتم إنتاج الطاقة الكهربائية بواسطة المولد ويمكن أيضاً توفيرها بواسطة البطاريات الكهربائية. إنّه يعطي شكلاً منخفضاً من الطاقة التي يتم نقلها عبر مسافات طويلة وأيضاً يتم تحويلها إلى أشكال أخرى مختلفة من الطاقة مثل الطاقة الحركية والطاقة الحرارية وما إلى ذلك.
الطاقة الكهربائية هي الطاقة المولدة من خلال تحويل أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الميكانيكية أو الحرارية أو الكيميائية، الطاقة الكهربائية لا مثيل لها في العديد من الاستخدامات، مثل الإضاءة وتشغيل الكمبيوتر والطاقة المحركة والتطبيقات الترفيهية. ولها استخدامات أخرى، كما هو الحال بالنسبة للعديد من تطبيقات التدفئة الصناعية والطبخ وتدفئة المساحات وجر السكك الحديدية.
معادلة القدرة الكهربائية
تنقسم القدرة الكهربائية إلى نوعين: القدرة الكهربائية للتيار المتردد (AC power) والقدرة الكهربائية للتيار المستمر (DC power).
يعتمد تصنيف القدرة الكهربائية على طبيعة التيار. تُباع القدرة الكهربائية بالنسبة إلى الجول وهو ناتج الطاقة بالكيلو واط وزمن تشغيل الماكينة ويقاس بالساعات. يتم قياس فائدة الطاقة بواسطة عداد الكهرباء الذي يسجل إجمالي الطاقة المستهلكة بواسطة الأجهزة التي تعمل بالطاقة، يتم الحصول على القدرة الكهربائية من خلال المعادلة الموضحة أدناه:
Electrical Power = Work done in an electrical current ∕ time
P = VIt ∕ t = VI = IR2 = V2 ∕ R
حيث:
V – هو الجهد الكهربائي بالفولت.
I – هو التيار الكهربائي بالأمبير.
R – هو المقاومة التي تقدمها الأجهزة التي تعمل بالطاقة.
t – هو الوقت بالثواني.
P – هي القدرة المقاسة بالواط.
ونظراً لأنّ القدرة هي معدل استهلاك الطاقة، يمكن حساب الطاقة مباشرة باستخدام:
P = E / t
حيث:
E – هي معدل استهلاك الطاقة ووحدتها الجول.
t – الزمن بالثواني.
P=VQ / t
حيث:
Q – هي مقدار الشحنة وتقاس بالكولوم.
V – هو فرق الجهد الكهربائي ويقاس بوحدة الفولت.
t – هي الزمن بالثواني.
وحدة قياس القدرة الكهربائية
وحدة قياس القدرة الكهربائية هي الواط (Watt). إذا كانت:
V = 1 volts and I = 1 ampere
P = 1 watt
وبالتالي، يُقال أنّ القدرة الكهربائية المستهلكة في الدائرة الكهربائية تساوي واحد واط إذا كان تيار واحد من الأمبير يتدفق عبر الدائرة عند تطبيق فرق جهد قدره 1 فولت عبرها. أكبر وحدة للقدرة الكهربائية هي الكيلوواط (kW)، وعادةً ما تستخدم في أنظمة القدرة:
1 kW = 1000 W
تعريف الواط
الواط هو وحدة (SI) للقدرة الكهربائية التي تحدد معدل تحويل الطاقة وهي تعادل جول واحد في الثانية. التعريف الكهربائي للواط: واحد واط هو المعدل الذي يتم به العمل عندما يتدفق تيار واحد أمبير، (I) من التيار يتدفق عبر شبكة لها فرق جهد كهربائي واحد فولت:
V.W = V I
التعريف الميكانيكي للواط: الواط الواحد هو المعدل الذي يتم به العمل عندما تكون سرعة جسم ثابتة عند متر واحد في الثانية مقابل قوة معارضة ثابتة مقدارها نيوتن واحد.
أنواع القدرة الكهربائية
تصنف القدرة الكهربائية بشكل أساسي إلى نوعين هما: القدرة الكهربائية للتيار المستمر (DC power) والقدرة الكهربائية للتيار المتردد (AC power).
تتميز القدرة الكهربائية بالتيار أو بتدفق الشحنة الكهربائية والجهد الكهربائي أو بالطاقة الكامنة للشحنة لتوصيل الطاقة. يمكن إنتاج قيمة معينة للطاقة بواسطة أي مجموعة من قيم التيار والجهد. إذا كان التيار مستمراً، فإنّ الشحن الإلكتروني يتقدم دائماً في نفس الإتجاه من خلال طاقة استقبال الجهاز. إذا كان التيار متردداً، فإن الشحنة الإلكترونية تتحرك ذهاباً وإياباً في الجهاز وفي الأسلاك المتصلة به.
بالنسبة للعديد من التطبيقات ، يكون أي نوع من التيار مناسباً، لكن التيار المتردد (AC) متاح على نطاق واسع بسبب الكفاءة الأكبر التي يمكن من خلالها توليد وتوزيع التيار. يلزم وجود تيار مباشر (DC) لبعض التطبيقات الصناعية، مثل عمليات الطلاء الكهربائي وعمليات المعالجة المعدنية الكهربية ومعظم الأجهزة الإلكترونية.
القدرة الكهربائية للتيار المستمر – DC power:
تعرّف قدرة التيار المستمر بأنّها ناتج الجهد والتيار، يتم إنتاجها بواسطة خلية الوقود والبطارية والمولد:
P = V × I
حيث:
P – القدرة الكهربائية بالواط.
V – الجهد الكهربائي بالفولت.
I – التيار الكهربائي بالأمبير.
القدرة الكهربائية للتيار المتردد – AC Power
يتم تصنيف قدرة التيار المتردد بشكل أساسي إلى ثلاثة أنواع وهي: القدرة الظاهرة (apparent power) والقدرة النشطة (active power) والقدرة التفاعلية (Reactive Power).
القدرة الظاهرة – Apparent Power:
القدرة الظاهرة: هي القدرة غير المجدية أو القدرة الخاملة، يتم تمثيلها بالرمز (S)، ووحدة (SI) الخاصة بها هي فولت أمبير:
S = Vrms . Irms
حيث:
S – هي القدرة الظاهرة.
Vrms – هي الجهد بالفولت، ( Vrms – RMS voltage = Vpeak√2 in volt).
Irms – هي التيار بالأمبير، (Irms – RMS current = Ipeak√2 in the amp).
القدرة النشطة – Active Power:
القدرة النشطة (P) هي القدرة الحقيقية التي تتبدد في مقاومة الدائرة:
P = Vrms . Irms . Cosø
حيث:
P – هي القدرة الحقيقية بالواط.
Vrms – هي الجهد بالفولت، ( Vrms – RMS voltage = Vpeak√2 in volt).
Irms – هي التيار بالأمبير، (Irms – RMS current = Ipeak√2 in the amp).
Φ – هي زاوية طور المقاومة بين الجهد والتيار.
القدرة التفاعلية – Reactive Power:
وهي القدرة المطوّرة في مفاعلة الدائرة تسمى القدرة التفاعلية (Q)، يتم قياسها في رد الفعل بالفولت أمبير:
Q = Vrms . Irms . Sinø
حيث:
Q – هي القدرة التفاعلية بالواط.
Vrms– هي الجهد بالفولت، ( Vrms – RMS voltage = Vpeak√2 in volt).
Irms – هي التيار بالأمبير، (Irms – RMS current = Ipeak√2 in the amp).
Φ – هي زاوية طور المقاومة بين الجهد والتيار.
العلاقة بين القدرة الظاهرة والنّشطة والتفاعلية هي كالتالي:
S2 = Q2 + P2
تسمى نسبة القدرة الحقيقية إلى القدرة الظاهرة عامل القدرة، وتقع قيمتها بين 0 و1.
حساب القدرة الكهربائية
يمكن تحديد مقدار القدرة المتناثرة في الدائرة الكهربائية بسهولة، إنّه ببساطة نتاج فرق الجهد عبر عنصر معين، مضروباً في التيار المتدفق خلاله. بمعنى آخر، فإن حريقاً كهربائياً حدث من مصدر 250 فولت، ويستهلك 4 أمبير من التيار سوف يبدد (250 × 4 = 1000 واط أو 1 كيلو واط)، بعبارات أخرى:
W =V ×I
في بعض الحالات، قد تكون المقاومة الفعلية لعنصر الدائرة معروفة، باستخدام قانون أوم:
V = I x R
من الممكن حساب القدرة إذا كان الجهد أو التيار معروفين، على سبيل المثال، قد يكون من المعروف أنّ جهد التيار الكهربائي هو 250 فولت وقد تكون مقاومة العنصر 62.5 أوم، من خلال إجراء بعض الجبر البسيط، من الممكن اكتشاف الصيغ التالية:
W = V2 / R
W = I2 ×R
باستخدام هذه الصيغ، من السهل حساب القدرة المشتتة في المقاومة 62.5 أوم عند وضع جهد 250 فولت عبره:
W= V2 ∕ R=2502 /62.5=1000W
