Elektrische Energie - Electric power

Elektrische Leistung ist die Rate pro Zeiteinheit, mit der elektrische Energie von einem Stromkreis übertragen wird . Die SI- Einheit der Leistung ist Watt , ein Joule pro Sekunde .

Elektrischer Strom wird normalerweise von elektrischen Generatoren erzeugt , kann aber auch durch Quellen wie elektrische Batterien geliefert werden . Es ist in der Regel an Unternehmen und Haushalte (als Haus geliefert Stromnetz ) durch die elektrische Leistung der Industrie durch ein Stromnetz .

Elektrische Energie kann über weite Entfernungen über Übertragungsleitungen geliefert und mit hoher Effizienz für Anwendungen wie Bewegung , Licht oder Wärme verwendet werden .

Definition

Elektrische Leistung ist wie mechanische Leistung die Arbeitsrate , gemessen in Watt , und wird durch den Buchstaben P dargestellt . Der Begriff Watt wird umgangssprachlich für "elektrische Leistung in Watt" verwendet. Die elektrische Leistung in Watt, die von einem elektrischen Strom I , der aus einer Ladung von Q Coulomb besteht, alle t Sekunden erzeugt wird, wenn er durch eine elektrische Potentialdifferenz ( Spannung ) von V fließt, ist

${\displaystyle P={\text{work done per unit time}}={\frac {W}{t}}={\frac {W}{Q}}{\frac {Q}{t}}=VI\,}$

wo

Q ist die elektrische Ladung in Coulomb

t ist die Zeit in Sekunden

I ist elektrischer Strom in Ampere

V ist das elektrische Potenzial oder die Spannung in Volt

Erläuterung

Elektrische Energie wird in andere Energieformen umgewandelt, wenn sich elektrische Ladungen durch eine elektrische Potenzialdifferenz ( Spannung ) bewegen , die in elektrischen Komponenten in Stromkreisen auftritt . Aus Sicht der elektrischen Energie lassen sich Komponenten in einem Stromkreis in zwei Kategorien einteilen:

Aktive Geräte (Stromquellen)

Wenn die Ladungen von einer ‚Außenkraft‘ durch die Vorrichtung in der Richtung von dem unteren elektrischen Potentials zu den höheren, (so positive Ladung bewegt sich von dem negativen zu dem positiven Anschluss) bewegt werden, Arbeit wird getan werden , auf die Gebühren, und die Energie aus einer anderen Energieart, wie beispielsweise mechanischer Energie oder chemischer Energie, in elektrische potentielle Energie umgewandelt wird . Geräte, bei denen dies auftritt, werden aktive Geräte oder Stromquellen genannt ; wie elektrische Generatoren und Batterien . Einige Geräte können je nach Spannung und Strom durch sie entweder eine Quelle oder eine Last sein. Beispielsweise fungiert eine wiederaufladbare Batterie als Quelle, wenn sie einen Stromkreis mit Strom versorgt, aber als Last, wenn sie an ein Batterieladegerät angeschlossen ist und wieder aufgeladen wird.

Passive Geräte (Lasten)

Wenn elektrische Ladungen bewegen sich durch eine Potentialdifferenz von einer höheren auf eine niedrigere Spannung, das ist , wenn herkömmliche Strom (positive Ladung) bewegt sich von der positiven (+) Anschluß mit dem negativen (-) Anschluss, der Arbeit durch die Ladungen auf dem Gerät durchgeführt wird . Die potentielle Energie der Ladungen aufgrund der Spannung zwischen den Klemmen wird im Gerät 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 (AC) kehrt sich die Richtung der Spannung periodisch um, aber der Strom fließt immer von der Seite mit höherem Potenzial zur Seite mit niedrigerem Potenzial.

Passive Vorzeichenkonvention

Da elektrische Leistung entweder in eine Komponente hinein oder aus ihr herausfließen kann, wird eine Konvention benötigt, für welche Richtung einen positiven Leistungsfluss darstellt. Elektrische Leistung, die aus einem Stromkreis in eine Komponente fließt , wird willkürlich so definiert, dass sie ein positives Vorzeichen hat, während Strom, der von einer Komponente 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 Vorzeichenkonvention bezeichnet .

Widerstandsschaltungen

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

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

wobei R der elektrische Widerstand ist .

Wechselstrom ohne Oberwellen

In Wechselstromkreisen können Energiespeicherelemente wie Induktivität und Kapazität zu periodischen Umkehrungen der Energieflussrichtung führen. Der Anteil des Energieflusses (Leistung), der über einen vollständigen Zyklus der Wechselstromwellenform gemittelt zu einer Nettoübertragung von Energie in eine Richtung führt, wird als Wirkleistung (auch als Wirkleistung bezeichnet) bezeichnet. Die Amplitude des Teils des Energieflusses (Leistung), der zu keiner Netto-Energieübertragung führt, sondern stattdessen in jedem Zyklus aufgrund der gespeicherten Energie zwischen Quelle und Last schwingt, wird als Absolutwert der Blindleistung bezeichnet . Das Produkt aus dem Effektivwert der Spannungswelle und dem Effektivwert der Stromwelle wird als Scheinleistung bezeichnet . Die von einem Gerät verbrauchte Wirkleistung P in Watt ist gegeben durch

${\displaystyle P={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta \,}$

wo

V _p ist die Spitzenspannung in Volt

I _p ist der Spitzenstrom in Ampere

V _rms ist die root-mean-square - Spannung in Volt

I _rms ist der root mean square Strom in Ampere

θ = θ _v - θ _i ist der Phasenwinkel, um den die Spannungssinuswelle der Stromsinuswelle vorauseilt, oder äquivalent der Phasenwinkel, um den die Stromsinuswelle der Spannungssinuswelle nacheilt

Der Zusammenhang zwischen Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung kann durch die Darstellung der Größen als Vektoren ausgedrückt werden. Wirkleistung wird als horizontaler Vektor dargestellt und Blindleistung wird als vertikaler Vektor dargestellt. Der Scheinleistungsvektor ist die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks, das durch Verbinden der Wirk- und Blindleistungsvektoren gebildet wird. Diese Darstellung wird oft als Potenzdreieck bezeichnet . Unter Verwendung des Satzes des Pythagoras ist die Beziehung zwischen Wirk-, Blind- und Scheinleistung:

${\displaystyle {\mbox{(apparent power)}}^{2}={\mbox{(real power)}}^{2}+{\mbox{(reactive power)}}^{2}}$

Wirk- und Blindleistung können auch direkt aus der Scheinleistung berechnet werden, wenn Strom und Spannung beide Sinuskurven mit einem bekannten Phasenwinkel θ dazwischen sind:

${\displaystyle {\mbox{(real power)}}={\mbox{(apparent power)}}\cos \theta }$

${\displaystyle {\mbox{(reactive power)}}={\mbox{(apparent power)}}\sin \theta }$

Das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung wird als Leistungsfaktor und eine Zahl immer zwischen -1 und 1. Sind die Ströme und Spannungen haben nicht-sinusförmigen Formen, ist Leistungsfaktor der Auswirkungen der Verzerrung umfassen verallgemeinert.

Elektromagnetische Felder

Elektrische Energie fließt überall dort, wo elektrische und magnetische Felder zusammen existieren und an derselben Stelle schwanken. Das einfachste Beispiel dafür sind elektrische Schaltungen, wie der vorige Abschnitt gezeigt hat. Im allgemeinen Fall kann jedoch die einfache Gleichung P = IV durch eine komplexere Rechnung ersetzt werden. Das geschlossene Flächenintegral des Kreuzprodukts der Vektoren der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke ergibt die gesamte Momentanleistung (in Watt) aus dem Volumen:

${\displaystyle P=\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot \mathrm {d} \mathbf {A} .\,}$

Das Ergebnis ist ein Skalar, da es sich um das Oberflächenintegral des Poynting-Vektors handelt .

Produktion

Generation

Die grundlegenden Prinzipien der Stromerzeugung wurden in den 1820er und frühen 1830er Jahren von dem britischen Wissenschaftler Michael Faraday entdeckt . Seine grundlegende Methode wird noch heute verwendet: Elektrischer Strom wird durch die Bewegung einer Drahtschleife oder einer Kupferscheibe zwischen den Polen eines Magneten erzeugt .

Für Energieversorger ist es der erste Prozess bei der Lieferung von Strom an Verbraucher. Die anderen Prozesse, die Stromübertragung , -verteilung sowie die Speicherung und Rückgewinnung elektrischer Energie mit Pumpspeicherverfahren werden normalerweise von der Elektrizitätswirtschaft durchgeführt .

Strom wird meist in einem Kraftwerk durch elektromechanische Generatoren erzeugt , die von durch Verbrennung beheizten Wärmekraftmaschinen , Erdwärme oder Kernspaltung angetrieben werden . Andere Generatoren werden durch die kinetische Energie von fließendem Wasser und Wind angetrieben . Es gibt viele andere Technologien, die zur Stromerzeugung verwendet werden, wie zum Beispiel Photovoltaik- Solarmodule.

Eine Batterie ist ein Gerät, das aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen besteht , die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Seit der Erfindung der ersten Batterie (oder „ Voltaic Pile “) im Jahr 1800 durch Alessandro Volta und insbesondere seit der technisch verbesserten Daniell-Zelle im Jahr 1836 sind Batterien für viele Haushalts- und Industrieanwendungen eine gängige Energiequelle geworden. Laut einer Schätzung aus dem Jahr 2005 erwirtschaftet die weltweite Batterieindustrie jedes Jahr einen Umsatz von 48 Milliarden US-Dollar bei einem jährlichen Wachstum von 6%. Es gibt zwei Arten von Batterien: Primärbatterien (Einwegbatterien), die für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind und entsorgt werden sollen, und Sekundärbatterien (wiederaufladbare Batterien), die für die Wiederaufladung und den mehrmaligen Gebrauch bestimmt sind. Batterien sind in vielen Größen erhältlich; von Miniatur - Knopfzellen verwendet , um Strom Hörhilfen und Armbanduhren Batteriebänke , die Größe der Zimmer , die Standby - Strom für bieten Telefonzentralen und Computer - Rechenzentren .

Elektrizitätswirtschaft

Die Elektrizitätswirtschaft stellt die Produktion und Lieferung von Strom in ausreichenden Mengen an Gebiete, die Strom benötigen , über einen Netzanschluss bereit . Das Netz verteilt elektrische Energie an die Kunden. Strom wird durch zentrale Kraftwerke oder durch dezentrale Erzeugung erzeugt . Die Elektrizitätswirtschaft tendiert allmählich zur Deregulierung – mit aufstrebenden Akteuren, die den Verbrauchern Konkurrenz zu den traditionellen Stadtwerken bieten.

Verwenden

Elektrische Energie, die von zentralen Erzeugungsstationen erzeugt und über ein elektrisches Übertragungsnetz verteilt wird, wird häufig in Industrie-, Gewerbe- und Verbraucheranwendungen verwendet. Der Pro-Kopf-Stromverbrauch eines Landes korreliert mit seiner industriellen Entwicklung. Elektromotoren treiben Fertigungsmaschinen an und treiben U-Bahnen und Eisenbahnzüge an. Elektrische Beleuchtung ist die wichtigste Form des künstlichen Lichts. Elektrische Energie wird direkt in Prozessen wie der Gewinnung von Aluminium aus seinen Erzen und bei der Stahlerzeugung in Elektrolichtbogenöfen verwendet . Zuverlässige elektrische Energie ist für Telekommunikation und Rundfunk unerlässlich. Elektrischer Strom wird in heißen Klimazonen zur Klimatisierung verwendet, und an manchen Orten ist elektrischer Strom eine wirtschaftlich wettbewerbsfähige Energiequelle für die Raumheizung von Gebäuden. Die Nutzung elektrischer Energie zum Pumpen von Wasser reicht von einzelnen Haushaltsbrunnen bis hin zu Bewässerungsprojekten und Energiespeicherprojekten.

Siehe auch

• EGRID
• Stromverbrauch
• Stromversorgungssystem
• Hochspannungskabel
• Energietechnik
• Ländliche Elektrifizierung

Verweise

Literaturverzeichnis

• Berichte über den Blackout im August 2003, Website des North American Electric Reliability Council
• Croft, Terrell; Summers, Wilford I. (1987). American Electricians' Handbook (Elfte Aufl.). New York: McGraw-Hügel . ISBN 0-07-013932-6.
• Fink, Donald G. ; Beaty, H. Wayne (1978). Standardhandbuch für Elektroingenieure (11. Aufl.). New York: McGraw-Hügel. ISBN 0-07-020974-X.

Externe Links

• US-Energieministerium: Elektrische Energie
• GlobTek, Inc. Glossar der Begriffe der Stromversorgung Stromversorgung