Введение
Скорость передачи электрической энергии в электрической цепи.
Электрическая мощность – это скорость передачи электрической энергии в цепи. Её единица измерения в системе СИ – ватт, общая единица мощности, определяемая как один джоуль в секунду. К ваттам, как и к другим единицам СИ, применяются стандартные приставки: тысячи, миллионы и миллиарды ватт называются соответственно киловаттами, мегаваттами и гигаваттами. В обыденном понимании, электрическая мощность – это производство и поставка электрической энергии, являющаяся важной коммунальной услугой во многих странах мира. Электрическая мощность обычно вырабатывается электрогенераторами, но также может поступать из источников, таких как электрические батареи. Как правило, она поставляется предприятиям и домохозяйствам (в виде бытовой электроэнергии) электроэнергетической отраслью через электрическую сеть. Электрическая мощность может передаваться на большие расстояния по линиям электропередачи и использоваться для различных целей, таких как создание движения, света или тепла, с высокой эффективностью.
Пояснение
Электрическая энергия преобразуется в другие формы энергии при перемещении электрических зарядов через разность электрических потенциалов (напряжение), возникающую в электрических компонентах электрических цепей. С точки зрения электрической мощности, компоненты электрической цепи можно разделить на две категории:
Активные устройства (источники питания)
Если электрический ток вынужден протекать через устройство в направлении от более низкого электрического потенциала к более высокому, так что положительные заряды перемещаются от отрицательного к положительному полюсу, то над зарядами совершается работа, и энергия преобразуется в электрическую потенциальную энергию из какого-либо другого вида энергии, например, механической или химической. Устройства, в которых это происходит, называются активными устройствами или источниками энергии, такими как электрические генераторы и аккумуляторы. Некоторые устройства могут выступать в роли источника или нагрузки, в зависимости от напряжения и тока, протекающего через них. Например, перезаряжаемый аккумулятор действует как источник, когда он питает цепь, но как нагрузка, когда он подключен к зарядному устройству и заряжается.
Пассивные устройства (нагрузки)
Если обычный ток протекает через устройство в направлении от более высокого потенциала (напряжения) к более низкому потенциалу, то положительный заряд движется от положительной (+) к отрицательной (-) клемме, и заряды совершают работу над устройством. Потенциальная энергия зарядов, создаваемая напряжением между клеммами, преобразуется в кинетическую энергию внутри устройства. Такие устройства называются пассивными компонентами или нагрузками; они "потребляют" электрическую мощность из цепи, преобразуя её в другие формы энергии, такие как механическая работа, тепло, свет и т.д. Примерами служат электрические приборы, такие как лампы накаливания, электродвигатели и электрические нагреватели. В цепях переменного тока (AC) направление напряжения периодически меняется, но ток всегда течет от стороны с более высоким потенциалом к стороне с более низким потенциалом.
Конвенция пассивного знака
Поскольку электрическая энергия может протекать как в компонент, так и из него, необходимо установить соглашение о том, какое направление считается положительным потоком мощности. Электрическая мощность, выходящая из цепи в компонент, по определению считается положительной, а мощность, входящая в цепь из компонента – отрицательной. Таким образом, пассивные компоненты характеризуются положительным потреблением мощности, а источники – отрицательным. Это называется пассивной конвенцией знаков.
Электромагнитные поля
Электрическая энергия распространяется везде, где существуют и изменяются во времени электрические и магнитные поля в одной и той же точке пространства. Самый простой пример этого – в электрических цепях, как было показано в предыдущем разделе. Однако в общем случае простое уравнение P = IV может быть заменено более сложным вычислением. Закрытый поверхностный интеграл векторного произведения векторов напряженности электрического поля и напряженности магнитного поля дает полную мгновенную мощность (в ваттах), выходящую из данного объема:
Результат является скаляром, поскольку представляет собой поверхностный интеграл вектора Пойнтинга.
Поколение
Основные принципы производства электроэнергии были открыты в 1820-х и начале 1830-х годов британским ученым Майклом Фарадеем. Его основной метод используется и сегодня: электрический ток генерируется движением петли проволоки или медного диска между полюсами магнита. Для электроэнергетических компаний это первый этап в доставке электроэнергии потребителям. Другие этапы – передача, распределение, накопление и восстановление электрической энергии с использованием методов аккумулирования – обычно осуществляются электроэнергетической промышленностью. Электричество в основном вырабатывается на электростанциях электромеханическими генераторами, приводимыми в действие тепловыми двигателями, нагреваемыми сжиганием топлива, геотермальной энергией или ядерным делением. Другие генераторы приводятся в действие кинетической энергией текущей воды и ветра. Существует множество других технологий, используемых для производства электроэнергии, таких как фотоэлектрические солнечные панели. Аккумулятор – это устройство, состоящее из одной или нескольких электрохимических ячеек, преобразующих накопленную химическую энергию в электрическую. С момента изобретения первого аккумулятора (или "вольтаического столба") в 1800 году Алессандро Вольтой и, особенно, после технического усовершенствования гальванического элемента Даниэля в 1836 году, аккумуляторы стали распространенным источником питания для многих бытовых и промышленных применений. По оценкам на 2005 год, мировая индустрия аккумуляторов генерирует 48 миллиардов долларов США в год, с ежегодным ростом в 6%. Существуют два типа аккумуляторов: первичные (одноразовые), предназначенные для однократного использования и утилизации, и вторичные (перезаряжаемые), предназначенные для многократного использования и перезарядки. Аккумуляторы доступны в различных размерах – от миниатюрных таблеточных элементов, используемых для питания слуховых аппаратов и наручных часов, до аккумуляторных батарей размером с комнату, обеспечивающих резервное питание для телефонных станций и центров обработки компьютерных данных.
Электроэнергетическая промышленность
Электроэнергетическая отрасль обеспечивает производство и передачу электроэнергии в необходимых объемах в районы, где она требуется, посредством подключения к энергосистеме. Энергосистема распределяет электрическую энергию потребителям. Электроэнергия генерируется централизованными электростанциями или распределенной генерацией. Электроэнергетическая отрасль постепенно движется к дерегулированию, с появлением новых участников, предлагающих потребителям альтернативу традиционным энергоснабжающим компаниям.
Применение
Электрическая энергия, производимая на центральных электростанциях и распределяемая по электрической сети, широко используется в промышленности, торговле и быту. Потребление электроэнергии на душу населения в стране связано с уровнем её промышленного развития. Электродвигатели приводят в действие производственное оборудование, а также метро и железнодорожные поезда. Электрическое освещение – наиболее важная форма искусственного света. Электрическая энергия используется непосредственно в таких процессах, как извлечение алюминия из руды и производство стали в электродуговых печах. Надежное электроснабжение необходимо для телекоммуникаций и вещания. Электрическая энергия используется для кондиционирования воздуха в жарком климате, а в некоторых регионах является экономически выгодным источником энергии для отопления зданий. Применение электрической энергии для перекачки воды варьируется от индивидуальных скважин до систем орошения и проектов накопления энергии.