Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος

Όπως γνωρίζουμε όταν μία ηλεκτρική συσκευή διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται στη συσκευή η οποία την μετατρέπει σε ενέργεια άλλης μορφής. Για παράδειγμα στη διάταξη του σχήματος όπου ένας κινητήρας περιστρέφεται και ανυψώνει το βαρίδι, ηλεκτρική ενέργεια μεταφέρεται σ΄αυτόν από το ηλεκτρικό ρεύμα και τη μετατρέπει ένα μέρος σε μηχανική και το υπόλοιπο σε θερμική, λόγω του φαινομένου Tζάουλ και την τριβή.

Ενέργεια που μετατρέπει μια ηλεκτρική συσκευή

Παρακάτω θα δώσουμε μια έκφραση της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνει μία ηλεκτρική συσκευή και τη μετατρέπει σε άλλη μορφή.

Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνει μία συσκευή όπου αναπτύσσεται τάση V στα άκρα της και διέρχεται φορτίο q από αυτή δίνεται από τη σχέση:

Eηλεκτρική = q‧V

Η σχέση που δίνει την ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος όταν περάσει φορτίο q από αυτή σε χρόνο t,  είναι:

Ι = q/t => q = I ‧ t

Έτσι έχουμε

Εηλεκτρική = q ‧ V = (I‧ t) ‧ V ή  Eηλεκτρική = V ‧ I ‧ t

Επομένως η συνολική ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα σε μια συσκευή είναι ανάλογη

Α] Της διαφοράς δυναμικού V που εφαρμόζεται στα άκρα της συσκευής
Β] Της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που την διαρρέει
Γ] Του χρόνου κατά τον οποίο η συσκευή λειτουργεί

Η μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας στο Διεθνές Σύστημα μονάδων είναι το ένα Τζάουλ. Το 1 J είναι η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρει σε μία ηλεκτρική συσκευή, ηλεκτρικό ρεύμα έντασης 1Α όταν διέρχεται από τη συσκευή σε χρόνο 1s ενώ τα άκρα της αναπτύσσεται τάση 1V

1J = 1A ‧ 1V ‧ 1S

H ισχύς που καταναλώνει μία ηλεκτρική συσκευή

Η ισχύς μιας ηλεκτρικής συσκευής ονομάζεται το πηλίκο της ενέργειας Ε που μετατρέπει προς τον απαιτούμενο χρόνο t. Aν το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια Eηλ στη συσκευή μέσα σε χρόνο t τότε η ισχύς Pηλ που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα ορίζεται με το πηλίκο:

Pηλ = Eηλ / t

Όμως όπως γνωρίζουμε η ηλεκτρική ενέργεια που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα στη συσκευή είναι:

Eηλ = V ‧ I ‧ t

Με αντικατάσταση παίρνουμε για την ισχύ που μεταφέρει το ηλεκτρικό ρεύμα

Pηλ = Εηλ / t = V ‧ I ‧ t / t = V ‧ I ή Ρηλ = V ‧ I

Έτσι η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνει (μετασχηματίζει) μια ηλεκτρική συσκευή, είναι ίση με το γινόμενο της τάσης που αναπτύσσεται στα άκρα της συσκευής επί την ένταση Ι του ηλεκτρικού ρεύματος. Η σχέση Ρηλ = V ‧ I είναι καθολική και δίνει την ισχύ οποιασδήποτε ηλεκτρικής συσκευής.

Μονάδα μέτρησης της ισχύος στο Διεθνές Σύστημα μονάδων είναι το 1W (1 Watt). 1W είναι η ηλεκτρική ισχύς που μεταφέρει σε μία ηλεκτρική συσκευή το ηλεκτρικό ρεύμα με ένταση 1 Α, ενώ στα άκρα της συσκευής εφαρμόζεται τάση 1V.

Κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας

Η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνουν οι ηλεκτρικές συσκευές προέρχεται από το ηλεκτρικό δίκτυο της εταιρείας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όπως είναι η ΔΕΗ. Επειδή η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας κοστίζει, η ΔΕΗ  χρεώνει τη συνολική ενέργεια που καταναλώνουν οι συσκευές του σπιτιού μας. Αυτό πετυχαίνεται με τον ηλεκτρικό μετρητή που είναι τοποθετημένος έξω από τα σπίτια μας και μετρά την συνολική ενέργεια που καταναλώνουν οι ηλεκτρικές συσκευές του σπιτιού μας. Σημείωση: αυτοί οι μετρητές δεν μετρούν την ισχύ του ηλεκτρικού ρεύματος.

Όπως έχουμε αναφέρει μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας είναι το ένα Τζάουλ. Επειδή το ένα Τζάουλ είναι μία μικρή ποσότητα ενέργειας, οι εταιρείες ηλεκτρικής ενέργειας μετρούν την ενέργεια που παρέχουν με μία άλλη μονάδα την κιλοβατώρα KWh. Μία κιλοβατώρα είναι ίση με την ενέργεια που καταναλώνεται από μία ηλεκτρική συσκευή ισχύος 1KW =1000W όταν λειτουργεί για χρονικό διάστημα μιας ώρας. Για παράδειγμα ένας λαμπτήρας ισχύος 100W, όταν λειτουργεί για 10 ώρες θα καταναλώσει ηλεκτρική ενέργεια 1KWh.