4.3 Elektrisk energi och effekt
FörberedandeFysik
| Rad 22: | Rad 22: | ||
:* Motivera varför vissa energikällor är bättre än andra ur resurssynpunkt.</div> | :* Motivera varför vissa energikällor är bättre än andra ur resurssynpunkt.</div> | ||
| - | + | FÖRFATTARE: Christer Johannesson & Lars-Erik Berg, KTH Fysik | |
| - | När det går en ström i en elektrisk krets utveckas en viss effekt. | ||
| + | =Sambandet mellan elektrisk energi och effekt= | ||
| - | + | När det går en ström i en elektrisk krets utveckas en viss effekt. | |
| + | För en likströmskrets går strömmen i samma riktning, så länge kretsen är sluten. Det betyder att laddningar rör sig i ledarna. Den framdrivande kraften kommer från den elektriska spänning som anbringas över ledaren. Laddningarna som rör sig ger strömmen som bestäms av bland annat den spänning som är över ledaren. Den elektriska effekten blir strömmen multiplicerad med spänningen. | ||
| - | När strömmen har gått under en viss tid har en energimängd som är effekten | + | När strömmen har gått under en viss tid har en energimängd som är effekten multiplicerad med tiden blivit omvandlad från elektrisk energi till värme, ljus, rörelseenergi eller liknande. |
| + | För likströmskretsar är det oftast fråga om relativt små effekter och energier, medan man för växelströmskretsar oftast har betydligt högre effekter eller energier. | ||
| - | + | Det är viktigt att skilja mellan begreppen effekt och energi. Effekten kan sägas vara ett mått på en elapparats arbetsförmåga och mäts i watt (W). Energi beräknas som effekt gånger tid och mäts i Joule (J) eller wattsekunder (Ws). Praktiskt används watttimmar (Wh) eller kilowattimmar (kWh). | |
| - | + | ||
| - | + | ||
| - | Det är viktigt att skilja mellan begreppen effekt och energi. Effekten kan sägas vara ett mått på en | + | |
| - | + | ||
| - | + | ||
| - | + | ||
| + | Om man jämför med en bil, till exempel, så represeterar bilens motor effekten (styrkan). Om inte bilen orkar upp för en backe är motorn för svag, den har för låg effekt. Energin (uthålligheten) representeras av bensinen i tanken. Om inte bilen når fram till nästa bensinstation har den haft för lite bensin i tanken, för lite lagrad energi med andra ord. | ||
'''1 kWh''' motsvarar den energi som utvecklas i en elektrisk kokplatta på 1 kW under en timme. '''1 MWh''' motsvarar den energi som en familj på fyra personer använder för matlagning under ett år. '''1 GWh''' motsvarar elåtgången för 40 normalvillor med elvärme under ett år. '''1 Twh''' är den genomsnittliga mängden el som Sverige använder under två dygn. | '''1 kWh''' motsvarar den energi som utvecklas i en elektrisk kokplatta på 1 kW under en timme. '''1 MWh''' motsvarar den energi som en familj på fyra personer använder för matlagning under ett år. '''1 GWh''' motsvarar elåtgången för 40 normalvillor med elvärme under ett år. '''1 Twh''' är den genomsnittliga mängden el som Sverige använder under två dygn. | ||
| Rad 67: | Rad 64: | ||
När en ström går genom en komponent uppstår ett spänningsfall över komponenten. En effektutveckling äger då rum i komponenten. | När en ström går genom en komponent uppstår ett spänningsfall över komponenten. En effektutveckling äger då rum i komponenten. | ||
| + | [[Bild:4.3_effekt.jpg]] | ||
| - | Strömmen | + | Strömmen multiplicerad med spänningen ger effektutvecklingen i komponenten. En energiomvandling sker och den elektriska energin kan bli omvandlad till exempelvis ljus, ljud, värme eller arbete. |
| - | + | Är strömmen och spänningen konstanta får vi en konstant effekt. Under en viss tid omvandlas en viss elektrisk energimängd till annan energiform. Den energin är effekten gånger tiden. | |
| - | Är strömmen och spänningen konstanta får vi en konstant effekt. Under en viss tid omvandlas en viss elektrisk energimängd till annan | + | |
| Rad 78: | Rad 75: | ||
<math>P = U\cdot I</math><br\> | <math>P = U\cdot I</math><br\> | ||
| - | där <math>U</math> är spänningen över en komponent och <math>I</math> är strömmen genom komponenten. | + | där <math>U</math> är spänningen över en komponent och <math>I</math> är strömmen genom komponenten. Om komponenten är en resistans där vi har <math>U = RI</math> enligt Oms lag så kan vi skriva effektutvecklingen: |
| + | |||
| + | <math>P = UI = U^2/R = RI^2</math> | ||
| + | |||
Energin <math>E</math> är effekten gånger tiden <math>t</math> | Energin <math>E</math> är effekten gånger tiden <math>t</math> | ||
| Rad 106: | Rad 106: | ||
:För dig som behöver en längre förklaring eller vill fördjupa dig ytterligare vill vi tipsa om: | :För dig som behöver en längre förklaring eller vill fördjupa dig ytterligare vill vi tipsa om: | ||
| - | :HEUREKA! Fysik kurs | + | :''HEUREKA! Fysik kurs 1'', kapitel 8, sidorna 175 - 195. |
| - | + | ||
| - | :[http://en.wikipedia.org/wiki/Power_%28physics%29 Läs mer om effekt och energi på engelska Wikipedia] | + | :[http://en.wikipedia.org/wiki/Power_%28physics%29 Läs mer om effekt och energi på engelska Wikipedia] |
| - | + | ||
| - | + | ||
====Länktips==== | ====Länktips==== | ||
| - | :[http://ippex.pppl.gov/interactive/energy/ Experimentera och lär dig mera om energi på www.ippex.pppl.gov] | ||
| - | |||
| - | ===:Slå upp ord och uttryck i Svensk Energis el-ordlista===länk fungerar inte!!! | ||
| - | + | :[http://www.energimyndigheten.se/Hushall/Tips-pa-hur-du-spar-energi--/ Energispartips, läs mer på Energimyndighetens hemsida] | |
</div> | </div> | ||
Nuvarande version
| Teori | Övningar |
Mål och innehåll
Innehåll
- Sambandet mellan elektrisk energi och effekt
- Formler för energi och effekt
Läromål
Efter detta avsnitt ska du ha lärt dig att:
- Beskriva sambandet mellan effekt och energi.
- Ställa upp och räkna ut vilken effekt en viss energimängd ger upphov till i en strömkrets.
- Avgöra vilken säkring som är lämpligast när du vet vilken utrustning som ska kopplas till ett vägguttag.
- Förklara hur ett resurssnålt samhälle ska kunna utvecklas med hjälp av olika teorier om elektrisk effekt och energi.
- Motivera varför vissa energikällor är bättre än andra ur resurssynpunkt.
FÖRFATTARE: Christer Johannesson & Lars-Erik Berg, KTH Fysik
Sambandet mellan elektrisk energi och effekt
När det går en ström i en elektrisk krets utveckas en viss effekt.
För en likströmskrets går strömmen i samma riktning, så länge kretsen är sluten. Det betyder att laddningar rör sig i ledarna. Den framdrivande kraften kommer från den elektriska spänning som anbringas över ledaren. Laddningarna som rör sig ger strömmen som bestäms av bland annat den spänning som är över ledaren. Den elektriska effekten blir strömmen multiplicerad med spänningen.
När strömmen har gått under en viss tid har en energimängd som är effekten multiplicerad med tiden blivit omvandlad från elektrisk energi till värme, ljus, rörelseenergi eller liknande.
För likströmskretsar är det oftast fråga om relativt små effekter och energier, medan man för växelströmskretsar oftast har betydligt högre effekter eller energier.
Det är viktigt att skilja mellan begreppen effekt och energi. Effekten kan sägas vara ett mått på en elapparats arbetsförmåga och mäts i watt (W). Energi beräknas som effekt gånger tid och mäts i Joule (J) eller wattsekunder (Ws). Praktiskt används watttimmar (Wh) eller kilowattimmar (kWh).
Om man jämför med en bil, till exempel, så represeterar bilens motor effekten (styrkan). Om inte bilen orkar upp för en backe är motorn för svag, den har för låg effekt. Energin (uthålligheten) representeras av bensinen i tanken. Om inte bilen når fram till nästa bensinstation har den haft för lite bensin i tanken, för lite lagrad energi med andra ord.
1 kWh motsvarar den energi som utvecklas i en elektrisk kokplatta på 1 kW under en timme. 1 MWh motsvarar den energi som en familj på fyra personer använder för matlagning under ett år. 1 GWh motsvarar elåtgången för 40 normalvillor med elvärme under ett år. 1 Twh är den genomsnittliga mängden el som Sverige använder under två dygn.
Enhetsförklaringar
Effekt (energi per tidsenhet)
Grundenheter är W eller J/s.
1 kilowatt (kW) = 1 000 W
1 megawatt (MW) = 1 000 kW
1 gigawatt (GW)= 1 000 000 kW
1 terawatt (TW)= 1 000 000 000 kW
Energi (effekt gånger tid)
Grundenheter är Ws eller J.
3600 Ws = 1 wattimme (Wh)
1 kilowattimme (kWh) = 1 000 Wh
1 megawattimme (MWh)= 1 000 kWh
1 gigawattimme (GWh)= 1 000 000 kWh
1 terawattimme (TWh)=1 000 000 000 kWh
Formler för energi och effekt
När en ström går genom en komponent uppstår ett spänningsfall över komponenten. En effektutveckling äger då rum i komponenten.
Strömmen multiplicerad med spänningen ger effektutvecklingen i komponenten. En energiomvandling sker och den elektriska energin kan bli omvandlad till exempelvis ljus, ljud, värme eller arbete.
Är strömmen och spänningen konstanta får vi en konstant effekt. Under en viss tid omvandlas en viss elektrisk energimängd till annan energiform. Den energin är effekten gånger tiden.
Effekten \displaystyle P erhålles ur
\displaystyle P = U\cdot I
där \displaystyle U är spänningen över en komponent och \displaystyle I är strömmen genom komponenten. Om komponenten är en resistans där vi har \displaystyle U = RI enligt Oms lag så kan vi skriva effektutvecklingen:
\displaystyle P = UI = U^2/R = RI^2
Energin \displaystyle E är effekten gånger tiden \displaystyle t
\displaystyle E = P\cdot t
För en växelströmskrets är det inte lika enkelt att få fram effekten, då ström och spänning oftast inte ligger i fas (spänning och ström är tidsförskjutna). Om fasvinkeln är \displaystyle \phi grader blir effektfaktorn \displaystyle \cos\phi. Växelströmseffekten blir då
\displaystyle P=U\cdot I\cos\phi
För att få effekten måste \displaystyle U och \displaystyle I vara effektivvärden av spänningen respektive strömmen i kretsen. Effektivvärdet erhålles genom att ta toppspänningen resp ektive toppströmmen dividerat med roten ur 2.
För ett motstånd (också kallade resistor) är effektfaktorn \displaystyle \cos\phi lika med 1 då ström och spänning ligger i fas.
Effektfaktorn för de flesta elektriska motorer är 0,8. Billiga och enkla motorer för växelström kan ha en lägre effektfaktor.
Effektutvecklingen i en ideal spole, utan resistans, och en kondensator är noll. Komponenterna tar emot energi under en del av perioden, se växelström, och lämnar tillbaks energin under en annan del av perioden.
Definition av effektivvärden är att det blir samma effektutveckling i en resistor som ansluts till en växelströmskälla med effektivvärde U som en likströmskälla med samma spänning.
