توان الکتریکی
توان یا میزان کار انجام شده در یک مدار به مشخصههای الکتریکی آن مانند نوع ولتاژ و جریان بستگی دارد. در مقاله ی مدار الکتریکی چیست با مدار و مفاهیم مرتبط آشنا شدیم. در واقع این کمیتها به تنهایی معرف میزان کار انجام شده نبوده و باید به صورت لحظهای در هم ضرب شوند. همانگونه که میدانیم ولتاژ منبع میتواند یکی از حالتهای مستقیم یا متناوب را داشته باشد. اتصال این منابع به مدار باعث عبور جریان به صورت مستقیم یا متناوب شده و هر یک رفتار متفاوتی را ایجاد میکنند. قابل ذکر است که با توجه به تغییر کمیتها نسبت به زمان، نحوهی محاسبهی توان متفاوت خواهد بود. این موارد در ادامه بیشتر شرح داده میشود.
در منبع متناوب یا Alternating Current میزان ولتاژ و جهت آن به صورت منظم در حال تغییر است. به عنوان مثال تغییرات ولتاژ در یک مدار تکفاز را در نظر بگیرید. طبق تصویر زیر ولتاژ در این منبع از مقدار صفر شروع شده و تا پیک یا حداکثر مثبت افزایش پیدا میکند. در ادامه و با گذشت زمان، مقدار ولتاژ کاهش پیدا کرده و پس از عبور از نقطهی صفر وارد محدودهی منفی میشود. این روند به صورت معکوس نیز تکرار شده و ولتاژ پس از رسیدن به پیک منفی مجدد به صفر خواهد رسید. کل این پروسه در جریان متناوب معادل یک سیکل خواهد بود.
یک سیکل ولتاژ سینوسی در منبع متناوب
تعداد سیکلهای ولتاژ در یک ثانیه با عنوان فرکانس یا [Frequency [Hz تعریف میشود. بهعنوانمثال در شبکهی برق ایران با فرکانس 50 هرتز، در هر ثانیه 50 سیکل کامل مانند تصویر بالا تکرار میشود. برای به دست آوردن زمان هر سیکل کافی است 1 ثانیه را بر تعداد آن تقسیم کنیم.
در شبکهی برق ایران هر سیکل کامل معادل 0.02 ثانیه زمان میبرد.
با توجه به تغییرات لحظهای و سریع ولتاژ در مدار متناوب، نمیتوان مقادیر ثابتی برای آنها در نظر گرفت. برای درک بهتر این موضوع به تصویر زیر توجه کنید. در این تصویر مقادیر و مثبت و منفی بودن یا جهت ولتاژهای V1 تا V5 در زمانهای t1 تا t5 یکسان نبوده و به سرعت در حال تغییر هستند.
مقادیر لحظه ای در شکل موج متناوب
برای رفع این مشکل از واحد دیگری با عنوان میزان موثر در بیان مقدار ولتاژ و جریان مدارهای متناوب استفاده میشود. مقدار موثر معادل 0.707 پیک ولتاژ یا جریان بوده و مستقل از زمان و جهت است. به عنوان مثال ولتاژ موثر بین فاز و نول در شبکه فشار ضعیف ایران معادل 230 ولت است. همانطور که مشاهده میکنید این مقدار مستقل از زمان بوده و فقط به صورت مثبت بیان میشود.
مقدار موثر یا RMS در یک شکل موج متناوب
مقادیر اندازهگیری شده توسط ولت مترها و آمپرها به صورت موثر هستند.
همانگونه که مشاهده کردید در منبع متناوب مولفهای بنام فرکانس وجود داشته و میزان و جهت ولتاژ دائما در حال تغییر است. در صورتی که این منبع به یک بار متصل شود طبیعی است که جریانی با فرکانس برابر در آن ایجاد شود. به عبارت سادهتر با اتصال منبع ولتاژ متناوب به یک مدار؛ میزان و دامنهی جریان آن نیز نسبت به زمان تغییر خواهد کرد. میزان جریان به مقدار بار مدار بستگی داشته ولی فرکانس آن برابر با فرکانس ولتاژ است.
اتصال منبع ولتاژ به یک بار اهمی و جاری شدن جریان هم فاز در مدار
جهت مطالعه دهها مقالهی تخصصی دیگر، بخش مقالات طراحی بانک خازنی را مشاهده کنید.
برای به دست آوردن توان در مدارهای متناوب نیز از ضرب مقادیر لحظهای ولتاژ و جریان استفاده میشود. برای این کار کافی است شکل موجهای ولتاژ و جریان را روی یک محور قرار داده و محاسبه را انجام دهیم. به عنوان مثال در تصویر زیر نحوهی شکل گرفتن توان اکتیو یک بار کاملا اهمی در مدار تکفاز نمایش داده شده است. در این مدار ولتاژ و جریان هم فاز بوده و در هر سیکل از یک نقطه شروع و به یک نقطه ختم میشوند. همانگونه که مشاهده میکنید در نیم سیکل منفی که ولتاژ و جریان هردو منفی هستند، از نظر ریاضی توان مثبت خواهد بود. ضرب دو عدد منفی در یک دیگر مثبت خواهد میشود. این توان به صورت اکتیو یا مفید شناخته میشود. در شکل زیر سمت چپ منحنیهای ولتاژ و جریان یک بار کاملا اهمی در مدار تکفاز و سمت راست نحوهی محاسبهی توان نشان داده شده است.