Elektrische Energie

Elektrische Energie wird in andere Energieformen umgewandelt, wenn sich elektrische Ladungen durch eine elektrische Potentialdifferenz (Spannung) bewegen, die in elektrischen Komponenten in elektrischen Stromkreisen auftritt., Unter dem Gesichtspunkt der elektrischen Leistung können Komponenten in einem Stromkreis in zwei Kategorien unterteilt werden:

Passive Geräte (Lasten)und

Wenn sich elektrische Ladungen durch eine Potentialdifferenz von einer höheren zu einer niedrigeren Spannung bewegen, dh wenn sich herkömmlicher Strom (positive Ladung) vom positiven (+) Anschluss zum negativen (−) Anschluss bewegt, erfolgt die Arbeit durch die Ladungen am Gerät. Die potentielle Energie der Ladungen aufgrund der Spannung zwischen den Anschlüssen wird in der Vorrichtung in kinetische Energie umgewandelt., Diese Geräte werden passive Komponenten oder Lasten genannt; Sie „verbrauchen“ elektrische Energie aus dem Stromkreis und wandeln sie in andere Energieformen wie mechanische Arbeit, Wärme, Licht usw. um. Beispiele sind elektrische Geräte wie Glühbirnen, Elektromotoren und elektrische Heizungen. In Wechselstromkreisen kehrt sich die Richtung der Spannung periodisch um, aber der Strom fließt immer vom höheren Potential zur unteren Potentialseite.,

Aktive Geräte (Stromquellen)Bearbeiten

Wenn die Ladungen durch eine „äußere Kraft“ durch das Gerät in Richtung vom unteren elektrischen Potential zum höheren bewegt werden (positive Ladung bewegt sich also vom negativen zum positiven Terminal), wird an den Ladungen gearbeitet und Energie wird von einigen Geräten in elektrische Potentialenergie umgewandelt.andere Art von Energie, wie mechanische Energie oder chemische Energie., Geräte, in denen dies geschieht, werden als aktive Geräte oder Stromquellen bezeichnet.wie elektrische Generatoren und Batterien. Einige Geräte können je nach Spannung und Strom entweder eine Quelle oder eine Last sein. Zum Beispiel fungiert eine wiederaufladbare Batterie als Quelle, wenn sie einen Stromkreis mit Strom versorgt, aber als Last, wenn sie an ein Batterieladegerät angeschlossen ist und aufgeladen wird, oder ein Generator als Stromquelle und ein Motor als Last.,

Passive Vorzeichenkonventionedit

Da elektrische Energie entweder in ein Bauteil oder aus ihm heraus fließen kann, ist eine Konvention erforderlich, für die die Richtung einen positiven Leistungsfluss darstellt. Elektrische Energie, die aus einem Stromkreis in ein Bauteil fließt, ist willkürlich so definiert, dass sie ein positives Vorzeichen hat, während Strom, der von einem Bauteil in einen Stromkreis fließt, ein negatives Vorzeichen hat. Somit haben passive Komponenten einen positiven Stromverbrauch, während Stromquellen einen negativen Stromverbrauch haben. Dies wird als passive Zeichenkonvention bezeichnet.,

Resistive Schaltungenedit

Bei resistiven (ohmschen oder linearen) Lasten kann das Joule-Gesetz mit dem Ohmschen Gesetz (V = I·R) kombiniert werden, um alternative Ausdrücke für die abgegebene Leistungsmenge zu erzeugen:

P = I V = I 2 R = V 2 R, {\displaystyle P=IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R},}

wobei R der elektrische Widerstand ist..

Wechselstromedit

In Wechselstromkreisen können Energiespeicherelemente wie Induktivität und Kapazität zu periodischen Umkehrungen der Richtung des Energieflusses führen., Der Anteil des Leistungsflusses, der über einen vollständigen Zyklus der Wechselstromwellenform gemittelt wird und zu einer Nettoenergieübertragung in eine Richtung führt, wird als Wirkleistung (auch als Wirkleistung bezeichnet) bezeichnet. Dieser Teil des Leistungsflusses aufgrund gespeicherter Energie, der in jedem Zyklus zur Quelle zurückkehrt, wird als Blindleistung bezeichnet., r m s cos θ θ {\displaystyle P={1 \over {\sqrt {2}}}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta \,}

wobei

Vp die Spitzenspannung in Volt Ip ist der Spitzenstrom in Ampere Vrms ist die Root-Mean-Square-Spannung in Volt Irms ist der root-mean-Square-Strom in Ampere θ ist der Phasenwinkel zwischen strom und spannung sinus wellen

Die beziehung zwischen real power, blindleistung und scheinbare leistung kann ausgedrückt werden, indem die größen als vektoren., Die Wirkleistung wird als horizontaler Vektor und die Blindleistung als vertikaler Vektor dargestellt. Der Scheinleistungsvektor ist die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks, das durch Verbinden des Real-und Blindleistungsvektors gebildet wird. Diese Darstellung wird oft als Leistungsdreieck bezeichnet.,arent Macht)}}^{2}={\mbox {(wirkliche Macht)}}^{2}+{\mbox{(Blindleistung)}}^{2}}

Real-und Blindleistungen können auch direkt aus der Scheinleistung berechnet werden, wenn Strom und Spannung beide Sinusoide mit einem bekannten Phasenwinkel θ zwischen ihnen sind:

(Realleistung) = (Scheinleistung) cos ⁡ θ {\displaystyle {\mbox{(Realleistung)}}={\mbox{(Scheinleistung)}}\cos \theta } (Blindleistung) = (Scheinleistung) sin θ θ {\displaystyle {\mbox{(Blindleistung)}}={\mbox{(Scheinleistung)}}\sin \theta }

Das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung wird als Leistungsfaktor bezeichnet und ist eine Zahl immer zwischen 0 und 1., Wo die Ströme und Spannungen nicht sinusförmige Formen haben, wird der Leistungsfaktor verallgemeinert, um die Auswirkungen von Verzerrungen einzuschließen.

Elektromagnetische Feldedit

Elektrische Energie fließt überall dort, wo elektrische und magnetische Felder zusammen existieren und an derselben Stelle schwanken., Das einfachste Beispiel hierfür ist in elektrischen Schaltungen, wie der vorstehende Abschnitt gezeigt hat. Im allgemeinen Fall muss jedoch die einfache Gleichung P = IV durch eine komplexere Berechnung ersetzt werden, das Integral des Querprodukts der elektrischen und magnetischen Feldvektoren über einen bestimmten Bereich, also:

P = ∫ S ( E × H ) ⋅ d A. {\displaystyle P=\int _{S}(\vec {E} \times \vec {H} )\cdot \vec {dA} .\ ,}

Das Ergebnis ist ein Skalar, da es das Oberflächenintegral des Poyntingvektors ist.