Công Suất Điện Là Gì ?【What Electric Power Is】
Như bạn đã biết, khi một lực bất kỳ gây ra chuyển động thì công (lực) sẽ được thực hiện. Ví dụ, khi bạn dùng một lực để nâng một vật nặng, công đã được thực hiện. Nhưng khi một lực, được áp dụng (sử dụng lên vật) mà không làm vật di chuyển – như lực của một lò xo được giữ dưới sức căng giữa hai vật không chuyển động – thì lực đó không tạo ra công.
Bạn cũng biết rằng khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm trong mạch điện, một điện áp sẽ xuất hiện, khiến cho các electron di chuyển và dòng điện chảy qua. Đây là một ví dụ rõ ràng về một lực gây ra chuyển động và tạo ra công. Vì vậy, mỗi khi có một điện áp làm cho các electron di chuyển, công sẽ được thực hiện thông qua việc chuyển động của chúng.
trong hệ thống tiêu chuẩn Anh, đơn vị công là foot-pound, tức là năng lượng cần thiết để nâng 1 pound lên khoảng cách 1 foot. Trong hệ mét, đơn vị công dựa trên mét và gam và được gọi là joule, với 1 joule bằng khoảng 3/4 foot- pound. Chúng ta có thể lấy lại công bằng cách cho vật nặng 1 pound rơi đi một khoảng 1 foot sau khi nối vật nặng đó với một vật nào đó để thu được công khi vật nặng rơi xuống. Do đó, chúng ta có thể rút ra sự tương đồng giữa việc nâng trọng lượng lên và tạo ra hiệu điện thế hoặc điện áp ở một trạm điện, với việc hạ thấp trọng lượng để sinh công và dòng điện tử thực hiện công ở đầu tải.
Chú Thích
- (When a force causes motion work is done): Khi có một lực làm cho vật di chuyển (chuyển động), thì công được thực hiện.
- (No work being done): Không có công được thực hiện
- (Work being done): Đang có công đang được thực hiện
- (Power is rate of work): Công suất là tốc độ thực hiện (Công) công việc (hoặc Công suất là tốc độ làm việc)
- (Low power – fewer electrons per minute): Công suất thấp – ít electron di chuyển mỗi phút
- (High power – more electrons per minute): Công suất cao – nhiều electron di chuyển mỗi phút
Tốc độ thực hiện công (hành động, lực), của việc di chuyển electron từ một điểm này sang một điểm khác được gọi là công suất điện. Nó được ký hiệu là P và đơn vị công suất là watt (W), thường được ký hiệu là W. Watt có thể được hiểu là tốc độ thực hiện công trong một mạch có dòng điện là 1 ampere khi có điện áp là 1 volt.
Công Thức Công Suất【The Power Formula】
Như bạn đã học ở những bài học trước, điều làm cho công suất điện trở nên quý giá là sự dễ dàng trong việc truyền dẫn điện từ nơi này sang nơi khác, và chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác nhau, điều này làm cho nó trở nên rất quan trọng. Ví dụ, năng lượng điện có thể được chuyển đổi thành nhiệt, ánh sáng, hoặc năng lượng cơ học và âm thanh. Tốc độ chuyển đổi năng lượng, mới là ý nghĩa thực sự của từ “công suất” đối với kỹ sư.
Tốc độ thực hiện công trong việc di chuyển electron qua một điện trở, rõ ràng phụ thuộc vào số lượng electron cần di chuyển. Nói cách khác, công suất tiêu thụ (power consume) trong một điện trở được xác định bởi điện áp đo được qua nó, nhân với dòng điện chảy qua nó. Được biểu diễn bằng đơn vị đo, điều này trở thành
Trong mạch bên dưới, một điện trở 15 ohm được nối qua nguồn điện 45 volt. Hỏi khi cho dòng điện 3 ampe chạy qua điện trở thì công suất tiêu thụ (tiêu thao) là bao nhiêu?
Chú Thích
- (Finding the power used in a resistor): Tìm công suất sử dụng trong một điện trở
- (Circuit power used is 135 watts): Công suất sử dụng, trong mạch là 135 watts
Đối với mạch điện một chiều (dc), bạn luôn có thể tìm công suất trong mạch bằng cách sử dụng công thức công suất.
Công thức công suất bạn đã học, P = EI, có thể được biểu diễn một cách rõ ràng dưới dạng dòng điện và điện trở, hoặc điện áp và điện trở, bằng cách sử dụng định luật Ohm của chúng ta. (Vì E hoặc V có thể được sử dụng hoán đổi cho nhau, công thức này cũng có thể được phát biểu dưới dạng P = VI. Chúng ta sẽ sử dụng E.) Vì E = IR nên E trong công thức công suất, có thể được thay thế bằng giá trị tương đương của nó là IR, và công suất sử dụng có thể được tính toán mà không cần biết điện áp.
Chú Thích
- (Variation of the power formula): Biến thể của Công Thức Công Suất
- (Substituting (IR) for E): Thay E bằng ‘IR’
- (Since I x I is I^2): Vì I x I là I^2
Tương tự, hiển nhiên, I = E/R. Vì vậy, nếu thay E vào công thức công suất thay cho I, công suất sử dụng có thể tìm được, chỉ bằng cách biết điện áp và điện trở.
Chú Thích
- (Another variation): Một Biến Thể Khác
- (Substituting E/R for I):Thay thế E/R cho I
- (Since E x E is E^2): Vì E x E là E^2
Các Bảng Chuyển Đổi mà bạn đã học ở những bài hoc trước có thể áp dụng cho watt cũng như volt, ampere, ohm và tất cả các đơn vị khác. Các lượng công suất lớn hơn 1,000 watt thường được biểu diễn bằng kilowatt (kW), và các lượng lớn hơn 1,000,000 watt thường được biểu diễn dưới dạng megawatt (MW). Các lượng nhỏ hơn 1 watt thường được biểu diễn bằng milliwatt (mW).
Công Suất Của Thiết Bị【Power Rating of Equipment】
Bạn có thể đã thấy trong quá trình sử dụng cá nhân rằng hầu hết các thiết bị điện đều được đánh giá về cả điện áp và công suất – đơn vị là volts và watts. Đèn điện được đánh giá ở 120 volts để sử dụng trên đường dây điện 120 volt cũng được xác định bằng công suất, thường được ghi là watts thay vì volts.
Có lẽ bạn đã tự hỏi ý nghĩa và tác dụng của công suất tính bằng watts. Công suất watts của một đèn điện hoặc các thiết bị điện khác cho biết tốc độ mà năng lượng điện được chuyển đổi thành dạng năng lượng khác, như nhiệt độ hoặc ánh sáng. Một đèn càng nhanh chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng, thì đèn sẽ chiếu sáng mạnh hơn; do đó, một đèn 100 watt cung cấp ánh sáng nhiều hơn so với một đèn 75 watt.
Mỏ hàn điện (Electric soldering iron) được sản xuất với nhiều công suất khác nhau, các mỏ hàn điện có công suất cao sẽ chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt độ nhanh hơn so với các mỏ hàn điện có công suất thấp hơn. Tương tự, công suất watts của động cơ, điện trở và các thiết bị điện khác cho biết tốc độ chúng được thiết kế để chuyển đổi năng lượng điện thành dạng năng lượng khác. Động cơ thường được phân loại dựa trên công suất mã lực (horsepower) – một đơn vị đo tốc độ thực hiện công, mà bạn sẽ tìm hiểu thêm về nó sau. Một mã lực bằng 746 watts. Bạn sẽ hiểu rõ hơn về mã lực khi chúng ta nghiên cứu về động cơ.
Chú Thích
- (Power rating of equipment is the rate at wich it canges electrical energy into…heat or light): Công suất (công suất định mức) của thiết bị là tốc độ mà nó chuyển đổi năng lượng điện thành… nhiệt hoặc ánh sáng
- (Greater wattage furnishes more heat and light): Công suất cao tạo ra nhiều nhiệt và ánh sáng hơn
Khi năng lượng (công suất) được sử dụng trong vật liệu có điện trở, năng lượng điện sẽ chuyển thành nhiệt. Khi vật liệu sử dụng nhiều điện năng hơn, tốc độ điện năng chuyển thành nhiệt tăng lên và nhiệt độ của vật liệu tăng lên. Nếu nhiệt độ tăng quá cao, vật liệu có thể thay đổi thành phần cấu trúc, giãn nở, co lại hoặc cháy. Vì lý do đó, tất cả các loại thiết bị điện đều được đánh giá ở mức công suất tối đa. Đánh giá này có thể tính theo watt, hoặc theo điện áp và dòng điện tối đa – điều này mang lại hiệu quả đánh giá tính bằng watt.
Điện trở được đánh giá bằng watt cũng như điện trở ohm. Các điện trở có cùng giá trị điện trở, thì có các giá trị công suất khác nhau. Ví dụ, điện trở carbon thường được chế tạo ở mức công suất 1/4, 1/2, 1 và 2 watt. Kích thước của điện trở carbon càng lớn thì mức công suất của nó càng cao, vì lượng vật liệu lớn hơn sẽ hấp thụ và tỏa nhiệt dễ dàng hơn.
Khi cần sử dụng các điện trở có công suất lớn hơn 2 watt, thì sẽ sử dụng các điện trở dạng quấn dây (Wire-wound resistor). Các điện trở dạng này được sản xuất trong các phạm vi từ 5 đến 200 watt, với các loại đặc biệt được sử dụng cho công suất vượt quá 200 watt.
Cầu Chì【Fuses】
Khi dòng điện đi qua một điện trở, năng lượng điện sẽ chuyển đổi thành nhiệt, làm tăng nhiệt độ của điện trở. Nếu nhiệt độ tăng quá cao, điện trở có thể bị hỏng. Dây kim loại trong một điện trở cuộn có thể tan chảy, làm mở mạch và cắt dòng điện. Hiệu ứng này được sử dụng để tạo ra các cầu chì.
Cầu chì là các điện trở sử dụng kim loại đặc biệt có giá trị điện trở rất thấp và điểm nóng chảy thấp, được thiết kế để phát nổ và mở mạch (hở mạch) khi dòng điện vượt quá giá trị định mức của cầu chì. Khi công suất (điện năng) tiêu thụ bởi cầu chì làm tăng nhiệt độ của kim loại quá cao, kim loại sẽ tan chảy và cầu chì sẽ phát nổ. Cầu chì phát nổ thường có thể được nhận biết qua sợi dây đứt và kính bị sạm đen. Nếu bạn không chắc chắn, bạn có thể tháo cầu chì ra và kiểm tra nó bằng ôm kế.
Bạn đã biết rằng dòng điện quá mức có thể làm hỏng nghiêm trọng các thiết bị điện – động cơ, dụng cụ kiểm tra, máy thu sóng vô tuyến, v.v. Cầu chì thì rẻ nhưng các thiết bị khác lại đắt hơn nhiều.
Chú Thích
- (Good fuse): Cầu chì tốt
- (Blown fuse): Cầu chì bị nổ
- (A fuse “blows out” when the current exceeds its rated value): Một cầu chì sẽ “phát nổ” khi dòng điện vượt quá giá trị mà nó được thiết kế chịu được
Ngày nay, có hai loại cầu chì đang được sử dụng. Cầu chì truyền thống thông thường (conventional fuses) sẽ nổ ngay lập tức khi mạch bị quá tải, trong khi cầu chì nổ chậm (slow-blowing fuses) (slo-blo) có thể chịu được quá tải ngắn hạn nhất thời mà không phát nổ. Tuy nhiên, nếu quá tải tiếp tục, chúng sẽ hở mạch. Các cầu chì nổ chậm này được sử dụng trong các mạch có dòng điện cao đột ngột khi bật, chẳng hạn như động cơ và một số thiết bị điện gia dụng. Nếu các mạch như vậy sử dụng cầu chì truyền thống thông thường có giá trị đủ cao để xử lý dòng điện khởi động cao, thì sẽ có rất ít khả năng bảo vệ trong điều kiện hoạt động bình thường. Điều quan trọng là bạn phải thay cầu chì bằng loại thích hợp, dù là cầu chì truyền thống thông thường hay cầu chì nổ chậm.
Mặc dù là công suất (năng lượng) được sử dụng bởi một cầu chì khiến nó phát nổ, nhưng cầu chì được định mức đánh giá bằng dòng điện mà chúng sẽ dẫn qua mà không bị cháy rụi, vì là dòng điện cao làm hỏng thiết bị. Vì các loại thiết bị khác nhau sử dụng dòng điện khác nhau, nên cầu chì được sản xuất trong nhiều kích cỡ, hình dạng và dòng điện khác nhau.
Chú Thích
- (Glass cartidge fuses): Cầu chì ống thủy tinh
- (Screw-plug fuse): Cầu chì ốc vặn
- (Solid cartridge fuses): cầu chì ống rắn
- (Fuses are shown symbolically like this): Các cầu chì được biểu thị biểu tượng như thế này
Điều quan trọng là luôn chọn cầu chì có dòng điện đánh giá định mức cao hơn một chút so với dòng điện lớn nhất mà bạn dự kiến trong mạch. Nếu định mức quá thấp, cầu chì có thể phát nổ không cần thiết, trong khi quá cao có thể để cho dòng điện cao nguy hiểm lưu thông qua. Trong các thí nghiệm sắp tới, các mạch sẽ được bảo vệ bằng cầu chì để đảm bảo an toàn cho ampe kế. Với phạm vi từ 0 đến 1 ampe của ampe kế, sẽ sử dụng cầu chì 1,5 ampe. Để lắp cầu chì vào mạch, bạn kết nối giữa giá đỡ cầu chì và gắn cầu chì vào giá đỡ – nhớ luôn ngắt kết nối nguồn điện trước khi thay cầu chì!
Chú Thích
- (Inserting the fuse): Gắn cầu chì
- (Fuse holder): Khung giữ cầu chì
Sau này, bạn sẽ tìm hiểu về một thiết bị bảo vệ khác gọi là cầu dao (circuit breaker, CB), cung cấp sự bảo vệ mà không cần phải thay thế cầu chì.
Công Suất Trong Mạch Nối Tiếp【Power in Series Circuits】
Tổng công suất tiêu thụ trong một mạch nối tiếp là tổng công suất được sử dụng trong tất cả các phần tử mạch riêng lẻ và có thể dễ dàng tìm thấy.
Hãy xem xét một mạch trong đó ba điện trở – R1 = 20 ohms, R2 = 16 ohms và R3 = 12 ohms được mắc nối tiếp qua nguồn điện 72 volt. Bây giờ bạn cần biết mạch sẽ tiêu thụ bao nhiêu điện năng (công suất).
Đầu tiên, vẽ biểu đồ mạch, và điền vào các giá trị đã biết. Sau đó tính toán dòng mạch, điều này bạn có thể làm ngay khi bạn có điện trở tổng của mạch Rt. Ở đây bạn thấy rằng Rt = 20 +16 + 12 = 48 ohm
Với điện áp và điện trở mạch đều đã biết. Định luật Ohm cho biết dòng mạch là:
Bạn có thể sử dụng biến thể của công thức công suất để tính P khi bạn chỉ biết I và R. Như bạn đã nhớ, công thức đó là P = I^2R
Vì công suất tiêu thụ của một mạch nối tiếp là tổng của công suất tiêu thụ bởi các điện trở riêng lẻ trong mạch, bạn sẽ tìm thấy rằng
Và, vì Định luật Ohm cho chúng ta biết rằng P = EI – và P = 72 volts và I = 1.5 ampe, vậy ta có:
Một cách khác để giải quyết vấn đề này là làm đơn giản mạch trước khi bạn bắt đầu tính I, và vẽ mạch tương đương như sau.
Bây giờ hãy tính dòng điện I bằng cách sử dụng Định luật Ohm giống như bạn đã làm trước đó.
Sau đó, bạn có thể sử dụng biến thể của công thức công suất để tính công suất mà mạch tiêu thụ:
Công Suất Trong Mạch Song Song【Power in Parallel Circuits】
Bạn đã thấy rằng tổng công suất tiêu thụ bởi một mạch nối tiếp bằng tổng của công suất tiêu thụ bởi tất cả các điện trở riêng lẻ trong mạch.
Điều tương tự cũng đúng với tất cả các mạch song song. Tổng công suất tiêu thụ bởi một mạch song song bằng tổng của công suất tiêu thụ bởi tất cả các điện trở riêng lẻ trong mạch. Nó có thể được tìm thấy bằng cách nhân tổng dòng điện của mạch với điện áp qua mạch.
Chú Thích
- (Total power in a parallel circuit…equals total voltage times total current): Tổng công suất trong một mạch song song bằng tổng của điện áp nhân với tổng dòng điện
Tổng công suất = 100 + 100 + 100 + 100 = 400 watt
Theo công thức công suất
Nếu không biết dòng điện hoặc điện áp mạch, vẫn có thể tìm được công suất mạch bằng cách áp dụng các quy tắc cho mạch song song để tính tổng điện trở mạch, nhưng tất nhiên chỉ khi biết giá trị của từng điện trở riêng lẻ trong mạch.
Sau đó, bạn chỉ cần chọn đúng biến thể của công thức công suất để sử dụng với những thông tin cụ thể bạn đã biết. Có hai khả năng được minh họa trong biểu đồ dưới đây.
Chú Thích
- (Finding total power using…total resistance and current): Tìm công suất tổng bằng cách sử dụng tổng điện trở và dòng điện
- (Finding total power using…total resistance and voltage): Tìm công suất tổng bằng cách sử dụng tổng điện trở và điện áp
Công Suất Trong Mạch Hỗn Hợp【Power in Complex Circuits】
Bạn đã thấy rằng công suất tiêu thụ trong cả mạch nối tiếp và mạch song song đều bằng tổng công suất tiêu thụ của tất cả các phần tử điện trở hoặc tải riêng lẻ.
Điều này cũng đúng với các mạch hỗn hợp có các phần nối tiếp và song song. Tổng công suất tiêu thụ của một mạch nối tiếp-song song, bằng tổng của công suất tiêu thụ của tất cả các tải riêng lẻ trong mạch. Có thể tìm thấy bằng cách nhân dòng điện tổng với điện áp qua mạch.
Vì chúng ta biết rằng dòng điện tổng trong mạch là 2 ampe và dòng điện này phải chạy qua R1 nên việc sử dụng đúng công thức tính công suất cho dòng điện và điện trở sẽ cho chúng ta
Vì tổng công suất là 150 watt, vậy tổng công suất ở R2, R3 và R4 phải là 50 watt (150 – 100 = 50). Hãy kiểm tra điều này bằng cách kết hợp R2, R3 và R4 thành điện trở tương đương của chúng.
Bây giờ, mạch trở thành
Sự kết hợp song song của Ra và R2 bằng
Tổng dòng điện lúc này là
Công suất trong Rb (kết hợp song song) có thể được tính bằng nhiều cách khác nhau. Cách đơn giản nhất là sử dụng công thức cho dòng điện và điện trở.
Như dự kiến. Để tính công suất tiêu thụ ở R2, R3 và R4 chúng ta có thể sử dụng một số kiến thức đã học trước đó. Chúng ta biết rằng điện trở tương đương Rb là 12.5 ohm và tổng dòng điện là 2 ampere. Do đó, sử dụng Định luật Ohm,
Do đó, công suất trong R2 có thể được tính từ công thức công suất.
Vì ‘Ra’ là 25 watt nên R3 và R4 cũng tiêu hao 25 watt. Dòng điện trong nhánh mạch song song chứa R3 và R4 có thể được tính theo định luật Ohm như sau:
Công suất trong R3 là
Công suất trong R4 là
Tổng công suất, là tổng công suất của mỗi điện trở.
Vậy nên, ta thấy rõ rằng bất kể mạch có phức tạp đến đâu, tổng công suất là tổng của từng công suất riêng lẻ và bằng tích của điện áp đầu vào với dòng điện đầu vào.
Thí Nghiệm/Ứng Dụng – Việc Sử Dụng Cầu Chì【Experiment/Application-The Use of Fuses】
Bạn đã thấy cách một điện trở nóng lên khi sử dụng nhiều công suất (điện năng) hơn so với công suất định mức của nó. Bây giờ bạn sẽ thấy cách hiệu ứng này được sử dụng như thế nào để bảo vệ thiết bị điện khỏi hỏng do dòng điện quá mức. Giả sử bạn kết nối bốn pin khô (cell) nối tiếp để tạo thành một pin 6 volt, sau đó kết nối một điện trở 15 ohm, 10 watt, một công tắc gạt cầu dao (knife switch), một giá đỡ cầu chì (fuse holder) và một ampe kế mắc nối tiếp với pin, và chèn lắp một cầu chì 1/8 ampe vào trong giá đỡ cầu chì. Khi bạn đóng công tắc, cầu chì sẽ phát nổ, từ đó mở hở mạch để không có dòng điện nào có thể lưu thông qua, và điều này được thể hiện bằng việc ampe kế hiển thị giá trị không.
Chú Thích
- (Under-rated fuses blow out): Cầu chì bị nổ vì không đủ sức chứa dòng điện
- (1/8-amp fuse blows out…no current): Cầu chì 1/8 ampe bị nổ… không có dòng điện chảy
Tuy nhiên, nếu bạn gắn một cầu chì 1/2 ampe vào giá đỡ cầu chì, nó sẽ không bị nổ, và ampe kế sẽ hiển thị dòng điện chảy.
Chú Thích
- (Proper or over-rated fuses allow current flow): Các cầu chì phù hợp hoặc định mức cao cho phép dòng điện chảy.
- (1/2-amp fuse…current flows): Cầu chì 1/2 ampe….. dòng điện chảy
Với điện trở của mạch là 15 ohm và điện áp là 6 volt, theo Định luật Ohm, dòng điện là khoảng 0,4 ampe (6 volt/15 ohm). Cầu chì 1/8-ampere (0,125-ampere) sẽ nổ vì dòng điện vượt quá định mức của nó, và nó sẽ không chịu được dòng điện 0,4 ampe. Tuy nhiên, cầu chì 1/2 ampere (0,5 ampe) sẽ chịu dòng điện mà không nổ, vì định mức của nó cao hơn dòng điện thực tế.
Thí nghiệm/Ứng dụng – Cách Cầu Chì Bảo Vệ Thiết Bị【Experiment/Application-How Fuses Protect Equipment】
Sử dụng mạch được hiển thị trước đó, lưu ý rằng điện trở 15 ohm hạn chế dòng điện qua mạch đủ để giữ cho cầu chì 1/2 ampe không bị cháy. Mạch hoạt động mà không làm hỏng ampe kế.
Nếu bạn làm đoản mạch điện trở như trong sơ đồ bên dưới, cầu chì sẽ cháy và ngắt mạch mà không làm hỏng ampe kế. Vì cầu chì đóng vai trò là mắt xích yếu nhất được xác định trước trong mạch điện này nên nó là thiết bị an toàn về điện. Khi chọn cầu chì, hãy đảm bảo không chọn cầu chì có định mức quá cao so với dòng điện dự kiến. Nếu xảy ra sự cố, cầu chì được đánh định mức quá cao có thể không cháy trước khi đồng hồ cháy nên toàn bộ khả năng bảo vệ cho đồng hồ sẽ bị mất.
Chú Thích
- (Fuse blows out and protects the ammeter): Cầu chì nổ và giữ an toàn cho ampe kế
- (1/2-amp fuse blows out… no current flows): Cầu chì 1/2 ampe nổ… không có dòng điện chảy
- (short): Ngắn mạch
Thí Nghiệm/Ứng Dụng – Công Suất Trong Mạch Nối Tiếp【Experiment/Application-Power in Series Circuits】
Để chỉ ra rằng công suất có thể được xác định khi biết bất kỳ hai biến số mạch nào – dòng điện, điện áp và điện trở, hãy nối ba điện trở 15 ohm, 10 watt nối tiếp qua pin khô 9 volt.
Sau khi đo điện áp trên mỗi điện trở, bạn có thể áp dụng công thức công suất P = E^2/R để tìm công suất cho từng điện trở. Bạn thấy rằng công suất mà mỗi điện trở sử dụng là khoảng 0,6 watt và tổng công suất là khoảng 1,8 watt.
Chú Thích
- (Finding power when voltage and resistance are known): Tìm xác định công suất khi biết điện áp và điện trở
- (For each resistor): Đối với mỗi điện trở
- (For three resistors): Đối với ba điện trở
Để chỉ ra rằng kết quả giống nhau được thu được bằng cách sử dụng dòng điện và điện trở hoặc dòng điện và điện áp, kết nối một ampe kế trong mạch để đo dòng điện. Công suất được sử dụng bởi mỗi điện trở sau đó được tìm bằng cách sử dụng công thức công suất theo hai cách: P = I^2R và P = EI. Chú ý rằng công suất tính bằng watts gần như giống nhau cho mỗi biến thể của công thức công suất được sử dụng, với sự khác biệt không đáng kể do sai số của ampe kế và sai lệch nhỏ trong đọc chỉ số của ampe kế.
Để thấy rõ ảnh hưởng của định mức công suất của một điện trở đối với hoạt động của nó trong mạch điện, giả sử có hai điện trở 15 ohm – một định mức 10 watt và một định mức 1 watt – được kết nối nối tiếp nhau như trong hình bên dưới. Ampe kế đo dòng điện trong mạch và sử dụng công thức công suất P = I^2*R, bạn sẽ thấy rằng công suất sử dụng trong mỗi điện trở là khoảng 1,35 watt. Giá trị này cao hơn một chút so với công suất định mức của điện trở 1 watt và bạn sẽ thấy nó nóng lên nhanh chóng, trong khi điện trở 10 watt vẫn giữ ở mức nhiệt độ tương đối mát. Để kiểm tra công suất sử dụng trong mỗi điện trở, bạn đo điện áp trên chúng bằng vôn kế và nhân với dòng điện. Lưu ý rằng công suất thu được giống như công suất đã đo trước đó và công suất mà mỗi điện trở sử dụng hoàn toàn bằng nhau.
Chú Thích
- (Finding the power used by resistors…when current and resistance are known): Tìm công suất mà điện trở sử dụng (tiêu thụ)… khi biết dòng điện và điện trở
- (Finding the power used by resistors…when current and voltage are known): Tìm công suất mà điện trở sử dụng tiêu thụ… khi biết dòng điện và điện áp
Tiếp theo, điện trở 1 watt được thay thế bằng điện trở định mức 1/2 watt. Quan sát thấy nó nóng lên nhanh hơn điện trở 1 watt và trở nên rất nóng, cho thấy công suất định mức đã bị vượt quá rất nhiều. Khi tìm công suất cho mỗi điện trở (sử dụng dòng điện và điện trở, sau đó kiểm tra điện áp và dòng điện), bạn sẽ thấy rằng mỗi điện trở đang sử dụng cùng một lượng điện năng (lượng công suất). Điều này cho thấy công suất định mức của điện trở không quyết định lượng điện năng sử dụng trong điện trở. Thay vào đó, mức công suất chỉ cho biết lượng điện năng tối đa (mức công suất tối đa) có thể được sử dụng mà không làm hỏng điện trở.
Chú Thích
- (Resistors overheat when excessive power is used): Điện trở nóng lên khi công suất vượt quá mức cho phép
Thí Nghiệm/Ứng Dụng – Công Suất Trong Mạch Song Song【Experiment/Application-Power in Parallel Circuits】
Để chứng minh rằng công suất được sử dụng bởi một mạch song song bằng với công suất được sử dụng bởi tất cả các phần của mạch, hãy nối song song ba ổ cắm đèn qua một pin 6 volt, với một ampe kế có phạm vi 0-1 ampe mắc nối tiếp với dây dẫn pin và vôn kế phạm vi 0-10 volt trên các cực của pin. Tiếp theo, lắp đèn 6 volt, 250 miliampe vào ổ cắm đèn nhưng không vặn chặt chúng. Khi bạn đóng công tắc, bạn sẽ thấy vôn kế chỉ điện áp pin, nhưng ampe kế không hiển thị dòng điện vì không có công suất nào được sử dụng trong mạch (mạch không sử dụng nguồn điện).
Chú Thích
- (Measuring the power in a parallel circuit): Đo công suất trong một mạch song song
- (0-10 volt voltmeter reads 6 volts): Vôn kế, với dải đo từ 0 đến 10 volt, hiển thị 6 volt
- (Ammeter shows no current flow when…lamps are loose): Ampe kế không cho thấy dòng điện chảy khi… các bóng đèn không được vặn chặt
Khi bạn thắt chặt một trong những bóng đèn, bạn sẽ thấy nó sáng và ampe kế sẽ chỉ ra một dòng điện chảy khoảng 0.25 ampere. Công suất sử dụng bởi một bóng đèn này, lúc này, là khoảng 6 volt nhân 0.25 ampere, tức là 1.5 watt. Đây chính là công suất sử dụng bởi một bóng đèn trong một mạch song song.
Bạn đã biết rằng điện áp qua bất kỳ phần nào của một mạch song song đều bằng với điện áp nguồn, nên điện áp qua bóng đèn cũng bằng với điện áp của pin.
Khi bạn mở lỏng đèn đầu tiên và sau đó siết từng đèn khác, bạn sẽ thấy rằng dòng điện và do đó công suất sử dụng bởi mỗi đèn là gần như như nhau. Dòng điện được đo mỗi lần là dòng điện chỉ qua một đèn đã được siết chặt.
Tiếp theo, giả sử bạn vặn siết chặt cả ba đèn vào ổ của chúng. Bạn sẽ thấy rằng tất cả đèn đều sáng và ampe kế cho thấy dòng mạch khoảng 0,75 ampere. Điện áp vẫn khoảng 6 volt, vì vậy công suất mạch (Pt) bằng 0,75 * 6 hoặc khoảng 4,5 watt.
Công suất tổng của mạch là khoảng 4.5 watt. Nếu bạn cộng tổng công suất của từng bóng đèn riêng lẻ, bạn sẽ có tổng là 4.5 watt (1.5 + 1.5 + 1.5 = 4.5). Điều này cho thấy rằng tổng công suất sử dụng bởi một mạch song song bằng tổng công suất tiêu thụ của từng phần của mạch.
Bây giờ thay ba đèn bóng đèn bằng ba điện trở 30 ohm. Nếu sau đó bạn tháo dây dẫn vôn kế khỏi pin và đóng công tắc, bạn sẽ thấy ampe kế chỉ ra dòng điện chảy khoảng 0.6 ampere. Tổng điện trở tính được từ quy tắc mạch song song là 10 ohm, vì vậy công suất mạch bằng P = I^2R hoặc (0.6)^2 * 10 là 3.6 watt.
Bây giờ hãy gỡ bỏ ampe kế và kết nối vôn kế với dây dẫn của pin. Khi bạn đóng công tắc, vôn kế sẽ ghi nhận khoảng 6 volt, do đó công suất mạch bằng P = E^2/R hoặc (6^2) / 10 = 3.6 watts
Cuối cùng, đặt lại ampe kế vào mạch; khi có điện, bạn sẽ thấy dòng điện là khoảng 0,6 ampere và điện áp là khoảng 6 volt, do đó công suất tổng của mạch là P = EI hoặc 6 * 0,6 = 3,6 watt.
Như vậy, bạn có thể thấy rằng tổng công suất trong một mạch song song có thể được tính toán, giống như trong một mạch nối tiếp, khi bất kỳ hai trong số các yếu tố – dòng điện, điện áp hoặc điện trở – đã biết.
Tóm Tắt Đánh Giá Lại Về Công Suất Điện【Review of Electric Power】
Mỗi khi có dòng điện chảy qua, công sẽ được thực hiện bằng cách di chuyển các electron qua dây dẫn. Các electron có thể di chuyển trong khoảng thời gian ngắn hoặc dài, và tốc độ thực hiện công này được gọi là công suất điện.
- Công suất điện (ELECTRIC POWER) – Tốc độ thực hiện công trong việc di chuyển electron qua một vật liệu được gọi là công suất điện, “P.” Đơn vị cơ bản của công suất là “watt,” “W.” 1 watt được sử dụng để làm cho một dòng điện có cường độ là 1 ampère chảy qua một điện trở có trở kháng là 1 ohm.
- Công thức Công suất (POWER FORMULA) – Công suất điện sử dụng trong một điện trở bằng điện áp qua điện trở nhân với dòng điện chảy qua điện trở. Nó cũng có thể được tính bằng cách bình phương dòng điện, nhân với điện trở, hoặc bằng cách bình phương điện áp, chia cho điện trở.
- Đánh giá định mức công suất (POWER RATING) – Thiết bị điện được đánh giá theo tốc độ sử dụng năng lượng điện. Năng lượng được sử dụng được chuyển đổi từ năng lượng điện thành một số dạng năng lượng khác, chẳng hạn như nhiệt hoặc ánh sáng.
- Đánh giá định mức công suất của điện trở (RESISTOR POWER RATINGS) – Điện trở được xác định dựa trên ohm của điện trở và dựa trên công suất tối đa mà có thể sử dụng một cách an toàn trong điện trở. Điện trở có công suất cao được thiết kế chế tạo lớn hơn so với điện trở có công suất thấp, nhằm cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn để tản nhiệt hiệu quả hơn. Chúng cũng được làm từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt lớn hơn.
- Cầu chì (FUSES) – Cầu chì là điện trở kim loại được thiết kế để ngắt mạch điện nếu dòng điện qua chúng vượt quá giá trị định mức.