Moc – Podstawowe wielkości fizyczne – Podstawy

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Czas czytania: 8 min.

Moc to wielkość fizyczna, która umożliwia opisanie pracy wykonanej na przestrzeni określonego odcinka czasu. Należy do parametrów opisujących zachodzące procesy oraz właściwości ciał, które są związane z przepływem i działaniem prądu elektrycznego.

Czym jest moc?

Według definicji, moc jest skalarną wielkością fizyczną, która umożliwia opisanie ilości pracy wykonanej w określonej jednostce czasu. Może ona określać między innymi możliwą do wykonania pracę fizyczną (moc mechaniczna, na przykład moc silnika spalinowego), prędkość emisji energii (przykładowo moc głośnika) lub pracę wykonywaną przez energię elektryczną (jak moc czajnika). Można więc powiedzieć, że moc to ilość energii przekazywanej między układami w czasie.

Jednostka w układzie SI

Jednostką mocy w układzie SI jest wat (W). Jeden wat to praca o wartości jednego dżula wykonana w czasie jednej sekundy (wynika to z wzoru na moc, gdzie moc jest ilorazem pracy i czasu). Nazwa jednostki pochodzi od nazwiska Jamesa Watta.

Kim był James Watt?

James Watt urodził się w 1736 roku, a zmarł w 1819. Był brytyjskim inżynierem i wynalazcą, który znany jest przede wszystkim z wprowadzonych przez siebie udoskonaleń w konstrukcji maszyn parowych – dzięki tym poprawkom urządzenia te zapoczątkowały rewolucję przemysłową. Jest autorem między innymi silnika parowego dwustronnego działania czy silnika wirowego trzystronnego działania, a także autorem jednostki mocy znanej jako koń mechaniczny. Jego zasługi zostały uhonorowane własną jednostką w układzie SI – watem.

Inne jednostki mocy

Choć wat jest najpopularniejszą jednostką mocy, wykorzystuje się również inne, pochodzące spoza układu SI.

Koń mechaniczny (MKS)

Jednostką mocy w układzie MKS jest koń mechaniczny (KM). Ta jednostka jest popularnie używana w motoryzacji do określania mocy silników w pojazdach. Jeden koń mechaniczny jest równy 75 kilogramometrów na sekundę, czyli około 735,5 W.

Erg na sekundę (CGS)

W układzie CGS jednostkę mocy stanowi erg na sekundę (erg/s). Jeden erg na sekundę oznacza siłę jednej dyny na drodze jednego centymetra w czasie sekundy. Jeden wat jest równy aż dziesięciu milionom ergów na sekundę.

Moc jako przepływ energii

Moc może również zostać zdefiniowana jako prędkość przepływu energii między układami, czyli emisja energii w jednostce czasu. Może być to energia mechaniczna, elektryczna, chemiczna lub termiczna. Często następuje też przemiana jednego rodzaju energii w inny – na przykład przyłożenie energii elektrycznej do opornika sprawia, że zostaje ona przekształcona w energię cieplną.

Wzór na moc na podstawie pracy i czasu

Podstawowym wzorem wykorzystywanym w celu obliczenia wartości mocy jest iloraz pracy i czasu, czyli P = W / t.

Praca

Praca określa ilość energii przekazywaną między układami fizycznymi. W przypadku pracy wykonywanej przez prąd elektryczny w układzie prądu stałego, jej wartość jest równa iloczynowi napięcia źródła energii elektrycznej, natężenia prądu przepływającego przez odbiornik oraz czasu przepływu prądu (W = U x I x t). Warto zauważyć, że jednostką pracy jest dżul (J), który określa również energię. Dzieje się tak, ponieważ ilość wykonanej pracy jest tożsama z wykonaną energią – w każdym razie w układach hipotetycznych, gdyż w rzeczywistości część energii zostaje rozproszona.

Wzór na moc na podstawie napięcia i natężenia

W elektronice (w obwodach prądu stałego) często korzysta się z wzoru na moc będącego iloczynem napięcia i natężenia – P = U x I.

Napięcie

Napięcie elektryczne oznacza różnicę potencjałów między dwoma punktami obwodu elektrycznego. Jednostką napięcia w układzie SI jest wolt (V). Napięcie między dwoma punktami wynosi jeden wolt, jeżeli do przekazania ładunku jednego kulomba między tymi punktami potrzebne jest wykonanie pracy o wartości jednego dżula. Można więc wyznaczyć wzór U = W / Q.

Natężenie

Natężenie prądu elektrycznego to stosunek ładunku elektrycznego przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu przepływu. Możemy więc obliczyć natężenie ze wzoru I = Q / t. Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper (A).

Moc rezystora

Rezystor (opornik) to element, który bardzo często wykorzystywany jest do ograniczania natężenia prądu elektrycznego płynącego w obwodzie. Oporniki nie posiadają żadnych dodatkowych funkcji – ich zadaniem jest wyłącznie przetworzenie energii elektrycznej docierającej do rezystora w energię cieplną, dzięki czemu ilość prądu w układzie zostaje doprowadzona do pożądanego poziomu. 

Rezystancja

Rezystancja (oporność elektryczna czynna, opór elektryczny czynny) to wielkość fizyczna opisująca stosunek napięcia i natężenia w obwodach prądu stałego. Jednostką rezystancji w układzie SI jest om (Ω). Wartość oporu elektrycznego możemy obliczyć, znając napięcie i natężenie w obwodzie – w tym celu wykorzystuje się wzór R = U / I (po przekształceniu U = I x R), czyli tak zwane prawo Ohma

Wzór na moc na podstawie prawa Ohma

Moc (energię, której odbiornik stanowi rezystancja) w obwodzie elektrycznym prądu stałego możemy wyliczyć na podstawie prawa Ohma, a więc znając tylko wartość rezystancji i napięcie elektryczne lub natężenie prądu elektrycznego w danym obwodzie. Po przekształceniu wzoru na wartość rezystancji uzyskujemy dwa wzory, z których możemy obliczyć ilość energii absorbowaną przez rezystor: P = I2 x R oraz P = U2 / R.

Dobór rezystora

Praktyczne zastosowanie wzoru na moc ma miejsce między innymi podczas dobierania odpowiedniego rezystora do danego układu elektrycznego. Na tej podstawie można obliczyć, czy dopuszczalna moc maksymalna danego modelu jest wystarczająca do potrzeb związanych z konkretnym projektem – w przeciwnym razie może dojść do przegrzewania się rezystora, co może doprowadzić do uszkodzenia elementu oraz całego układu.

Rezystancja

Rezystancja opornika powinna być zawsze dobierana z zapasem. Przykładowo, jeżeli (po uwzględnieniu tolerancji opornika oraz możliwych wahań natężenia i napięcia źródła zasilania) maksymalna wartość potrzebnej na rezystorze oporności wyniesie 114 Ω, powinno się dobrać najbliższy dostępny w sprzedaży opornik powyżej tej wartości. W analizowanym przypadku najprawdopodobniej będzie to rezystor 120 Ω.

Ważne!

Zbyt wysoka wartość rezystancji na oporniku również jest wadą – wówczas element nie “przepuści” do zasilanego elementu wystarczającej ilości energii, co może skutkować nieprawidłowym działaniem układu.

Moc dopuszczalna

Jednym z parametrów określających właściwości konkretnego rezystora jest jego maksymalna moc dopuszczalna. Odbiór energii z układu nie powinien nigdy przekroczyć tej wartości! Maksymalną moc występującą na oporniku można obliczyć, znając maksymalne napięcie na rezystorze oraz wartość jego oporności. Można to zrobić, korzystając ze wzoru Pmax = URmax2 / R. Na przykład, jeżeli oszacujesz ilość energii odbieranej przez rezystor na 23,5 W, dobrze będzie wybrać opornik o nieco wyższej maksymalnej mocy dopuszczalnej – najbliższą wartością będzie prawdopodobnie 25 W. Wartość może być wyższa, jednak warto pamiętać, że wraz ze wzrostem maksymalnej mocy dopuszczalnej zwiększa się rozmiar opornika, a jego cena rośnie.

Rozmiar i kształt

Rozmiar i kształt opornika nie ma wiele wspólnego z jego wartością rezystancji – nawet maleńkie elementy, które są ledwo widoczne gołym okiem, mogą wykazywać oporność rzędu tysięcy omów. Kształt i rozmiar rezystora mają natomiast związek z dopuszczalną mocą maksymalną: wraz ze zwiększeniem jej wartości, wielkość opornika również rośnie, zmienia się również jego kształt. Rezystory o wyższej dopuszczalnej mocy maksymalnej są również droższe.

Tolerancja

Tolerancja rezystora oznacza zakres, w jakim rezystancja rzeczywista może się różnić od tej, która została zadeklarowana przez producenta. Przykładowo, w opornik o rezystancji nominalnej 100 Ω będzie cechował się opornością rzeczywistą od 95 Ω do 105 Ω.

Rodzaje (określenia) mocy

Szukając informacji na temat wielkości fizycznej, jaką jest moc, można natknąć się na wiele wzorów i określeń, które mogą wprawiać w zakłopotanie niedoświadczoną osobę. Poniżej znajdziesz krótkie wyjaśnienia niektórych z nich – warto zaznaczyć, że w większości przypadków chodzi o tę samą wielkość fizyczną, wyrażaną w tej samej jednostce. Dlatego, mimo użycia w tytule popularnego określenia, trudno jest mówić o “rodzajach” mocy: są to raczej różne konteksty, w których występuje ta sama wielkość.

Moc elektryczna

O mocy elektrycznej najczęściej mówi się w kontekście urządzeń elektrycznych – jest to praca wykonywana przez energię elektryczną w określonym czasie. W związku z tym, najczęściej wylicza się ją ze wzoru P = U x I jako iloczyn napięcia, do którego podłączone jest urządzenie, i natężenia przepływającego przez nie prądu elektrycznego.  

Moc nominalna

Moc nominalna (znamionowa) to wartość mocy, przy której dane urządzenie lub element elektroniczny pracuje we właściwy sposób. W przypadku rezystora moc znamionowa jest równa maksymalnej mocy dopuszczalnej (w czasie pracy ciągłej przy określonej temperaturze otoczenia). Natomiast w przypadku zasilacza jest to maksymalna wartość mocy dostarczanej przez niego do zasilanego urządzenia lub układu (w sposób ciągły, bez utraty wydajności i przekroczenia zalecanej temperatury).

Moc chwilowa

Moc chwilowa określa prędkość, z jaką energia jest dostarczana do odbiornika ze źródła (lub odwrotnie). Jej wartość jest iloczynem chwilowego napięcia oraz chwilowego natężenia. Moc chwilowa może przyjmować także wartości ujemne – oznacza to, że w danym momencie energia przekazywana jest z odbiornika do źródła.

Moc maksymalna

Moc maksymalna to wartość mocy, jaka może zostać osiągnięta w optymalnych warunkach. Pozwala na realizację największej ilości pracy (przekazanie największej ilości energii) w jak najkrótszym czasie. Nie musi ona oznaczać działania w sposób ciągły – większość urządzeń jest w stanie osiągnąć swoją moc maksymalną wyłącznie chwilowo. 

Uśredniona wartość mocy

Uśredniona wartość mocy (moc średnia) nie bierze pod uwagę zmian w tempie pracy (przekazywania energii) na przestrzeni czasu. Oznacza to, że przykładowo urządzenia o tej samej wartości mocy uśrednionej mogą osiągać różne wartości mocy chwilowej czy różną moc maksymalną.

Moc bierna

Moc bierna to określenie wykorzystywane opisania wielkości, jaką jest pulsowanie energii elektrycznej między elementami obwodu elektrycznego prądu zmiennego. Nie jest ona przekształcana w energię cieplną ani moc użyteczną. Jednostką mocy biernej jest war (wolt amper reaktancyjny) – podobnie jak wat stanowi on iloczyn wolta i ampera.

Moc czynna

Moc czynna to moc pobierana ze źródła przez odbiornik, która jest przekształcana na ciepło lub pracę. W układach prądu zmiennego stanowi ona jedną z części, natomiast w przypadku układów prądu stałego moc czynna stanowi całość mocy w układzie. 

Moc pozorna

Moc pozorna jest wielkością występującą w układach prądu przemiennego. Stanowi ona iloczyn skutecznych wartości napięcia i natężenia.

Praktyczne zastosowanie wiadomości o mocy

Podobnie jak wiele innych wiadomości z zakresu fizyki, informacje o mocy bardzo przydają się na wielu polach. Należą do nich między innymi elektronika, automatyka czy robotyka, a także inne nauki ścisłe i związane z nimi dziedziny inżynieryjne. Jednak wiedza o działaniu mocy, umiejętność prawidłowego wyliczenia jej wartości oraz świadomość zasad dotyczących tej wielkości fizycznej pozwoli Ci na przykład dobierać bardziej oszczędne urządzenia AGD czy zasilacze dopasowane do układów, które mają obsługiwać.

Elektronika i robotyka

Znajomość wzoru na moc i świadomość parametrów związanych z tą wielkością fizyczną można wykorzystać w wielu sytuacjach. Dotyczy to między innymi dobierania elementów układów elektronicznych (na przykład rezystorów czy tranzystorów), chłodzenia urządzeń (dobierania radiatorów) czy wybierania odpowiedniego źródła zasilania do poszczególnych projektów. Decydując się na użycie w projekcie na przykład silników elektrycznych, należy odpowiednio dopasować do jego parametrów elementy składające się na układ zasilający. Jeżeli zdecydujesz się na sterowanie silnikiem przy wykorzystaniu układu sterującego, prawdopodobnie zaistnieje potrzeba zainstalowania odpowiedniego mikroprocesora. Implementując odpowiednie algorytmy, przy wykorzystaniu odpowiednich tranzystorów, będziesz mógł sterować mocą chwilową silnika. Zmieniając wartości parametrów odpowiedzialnych za nadawanie określonych wartości napięcia oraz natężenia sygnału zasilającego silnik, możesz proporcjonalnie zmieniać moc chwilową pracującego komponentu. Warto przy tym mieć na uwadze niebezpieczeństwo przegrzania się delikatnych elementów układu – nawet niewielki rezystor, który ulegnie przegrzaniu, może stać się przyczyną uszkodzenia całego urządzenia. Aby tego uniknąć, należy zastosować radiator (komponent odprowadzający nadmiar energii termicznej z elementu elektronicznego) o odpowiednio dużej zdolności wypromieniowywania ciepła. Taki element najczęściej przypomina miniaturowy kaloryfer i jest często wykorzystywany w układach elektronicznych jako sposób na zapobieganie przegrzewaniu się jego części.

Dobór urządzeń elektrycznych

Urządzenia o większej mocy są w stanie w tym samym czasie wykonać większą ilość pracy. Przykładowo, czajnik o mocy 1000 W jest w stanie wykonać pracę 1000 J w czasie jednej sekundy – czyli przekazać do znajdującej się wewnątrz wody 1000 J energii (nie uwzględniając strat wynikających z niedoskonałości konstrukcji etc.). W tym samym czasie czajnik o mocy 1400 W przekaże 1400 J energii, czyli wykona pracę o wartości 1400 J – w tym czajniku woda zagotuje się szybciej, więc z pewnością będzie stanowił lepszy wybór dla osób, którym zależy na czasie. Ale które urządzenie jest bardziej oszczędne? Aby to obliczyć, należy przekształcić wzór na moc P = W / t we wzór pozwalający wyliczyć ilość zużytej energii: W = P x t. Trzeba więc pomnożyć moc obu urządzeń przez czas, jaki zajęło im doprowadzenie wody do wrzenia, a następnie porównać otrzymane wyniki.

Dobór źródła zasilania

Odpowiednia moc zasilacza ma ogromne znaczenie dla prawidłowego działania urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Warto pamiętać, że najlepiej jest wybierać zasilacze o wyższej mocy, niż potrzebna wartość: przykładowo, jeżeli Twoje urządzenie osiąga moc maksymalną 500 W, wartość ta powinna stanowić maksymalnie 70% mocy nominalnej zasilacza. Oznacza to, że w opisywanym przypadku powinieneś zaopatrzyć się w zasilacz o mocy co najmniej 714 W – na rynku zapewne znalazłbyś modele 720 W lub 750 W. Odpowiedni “zapas” mocy sprawi, że Twoje urządzenie będzie bezproblemowo zasilane nawet w momentach bardziej intensywnego działania, a zasilacz będzie cichszy. Podczas zakupu zasilacza warto zwrócić też uwagę na deklarowaną sprawność: oznacza ona, ile energii elektrycznej pobranej z sieci zostanie przekazane do Twojego urządzenia. Przykładowo, w przypadku zasilacza o mocy 500 W i sprawności rzędu 85%, do Twojego urządzenia trafi 425 W, czyli 425 dżuli na sekundę.

Share on facebook
Share on linkedin
Share on twitter
Tomek

Tomek

Zobacz więcej:

Ciekawostki
Oskar Pacelt

Druk 3D i mrówki

Co wspólnego mają ze sobą druk 3D i mrówki?

Ohbot robot edukacyjny
Robotyka
Oskar Pacelt

Witaj, człowieku! Picoh i Ohbot reagują na Twoje emocje

Z Wielkiej Brytanii przybyli do nas Picoh i Ohbot – dwaj robokoledzy do swobodnej nauki programowania, wnioskowania i podstaw sztucznej inteligencji. Potrafią rozmawiać między sobą i wyrażają emocje!

Dodaj komentarz