在讨论一个电路系统的输入和输出时,会经常涉及电功率和电能,同时,任何一个电子元器件在使用时都有功率大小的限制,因此,电功率和电能也是电路的基本物理量。
电子元器件与电源一起连接形成回路,当电流通过电子元器件时,电源释放或发出电能,而电子元器件吸收或消耗电能。把单位时间内电路吸收或释放的电能定义为电路的电功率,简称功率,用字母P表示。
习惯上,把发出或接受电能说成发出或接受功率。
如果选择一段电路的电压和电流的参考方向是关联参考方向,那么这段电路吸收的电功率按下式计算,即
如果选择这段电路的电压和电流的参考方向是非关联参考方向,那么这段电路吸收的电功率就应按下式计算,即
所以,在计算功率时,应特别注意要根据电压、电流参考方向是否关联来选用相应的功率计算公式。
功率的单位在国际单位制中是瓦特,简称(W)。工程中还会用到千瓦(kW)以及毫瓦(mW)等。它们之间的换算关系为
由于电压和电流都是代数量,因此功率也是代数量。在分析计算某段电路或某个元件的功率时,如果功率P>0,表明这段电路或该元件是吸收功率,是将电能转换为其他形式能,在电路中充当负载;如果P<0,则表明该段电路或该元件是发出功率,是将其他形式能转换为电能,在电路中充当电源。
【特别提示】
根据能量守恒定律,一个电路中,一部分元件发出的电能一定等于其他部分元件吸收的电能。因此,在一个电路中,每一瞬间发出功率的各元件的功率总和等于吸收功率的各元件的功率总和,一正一负,电路总功率为零。这一结论称为功率平衡。功率平衡是用来检验电路计算结果是否正确的重要标准。
在一段时间内,电路消耗的电能为
电能的单位是焦耳,但实际生活中多采用千瓦时(kW·h)作为电能的单位,它等于功率为1 kW的用电器在1 h内消耗的电能,简称1度电。
式中 W——电路所消耗的电能,J;
U——电路两端的电压,V;
I——通过电路的电流,A;
t——所用的时间,s。
每一个电器在其铭牌或使用说明书中都会标注该电器的电功率。这是指在规定使用条件下电器消耗的电功率,即额定功率。当电源电压一定时,电器消耗的电功率也是一定的。例如,一个额定功率100 W的白炽灯接在220 V电源上,它实际消耗的电功率就是100 W。若接在110 V电源上,它实际消耗的电功率就不是100 W了。
例1.1 试求图1-11所示元件的功率,并说明是吸收功率还是发出功率。(www.xing528.com)
图1-11 例1.1用图
解 图1-11(a)中,电压与电流为关联参考方向,P=UI=5×2=10(W),P>0,该元件吸收功率。
图1-11(b)中,电压与电流为非关联参考方向,P=-UI=-4×3=-12(W),P<0,该元件发出功率。
图1-11(c)中,电压与电流为关联参考方向,P=UI=3×(-6)=-18(W),P<0,该元件发出功率。
例1.2 一空调器正常工作时的功率为1 214 W,设其每天工作4 h,若每月按30天计算,试问一个月该空调器耗电多少度?若每度电费0.80元,那么使用该空调器一个月应缴电费多少元?
解 空调器正常工作时的功率为
一个月该空调器耗电为
使用该空调器一个月应缴电费为
练习:1 P=0.735 kW,若2 P空调正常工作时,它的功率为多少?设其每天工作4 h,若每月按30天计算,试问一个月该空调器耗电多少度?若每度电费0.80元,那么使用该空调器一个月应缴电费多少元?
思考题
(1)为什么要在电路图上规定电流和电压的参考方向?请说明参考方向与实际方向的关系。
(2)若改变电路的参考点,电路中各点的电位及两点间的电压是否随着参考点的改变而改变?
(3)根据图1-12中的参考方向及数值,标出电流和电压的实际方向。
图1-12 电路参考方向及数值
(4)计算图1-13中各元件的功率,并说明实际是吸收功率还是发出功率。
图1-13 电路图
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