Elektrisk energi, effekt og virkningsgrad

Elektrisk energi (arbeid) er lik spenning (U) ganger elektrisitetsmengde (Q):

W = U × Q

Enheten for elektrisitetsmengde (Q) er coulomb (C) eller amperesekund (As). Q = I × t, altså er elektrisitetsmengde strøm ganger tid.

Dette gir formelen W = U × I × t . Måleenheten for energi (arbeid) er joule (J).

Vi har også behov for en måleenhet for arbeid per tidsenhet, som vi kaller effekt (P).

P = W/t, som har måleenheten joule per sekund (J/s). Joule per sekund kaller vi vanligvis watt (W).

Setter vi sammen formelen for arbeid W og formelen for effekt P, finner vi den vanlige effektformelen:

P = W/t = U × I × t / t

Dette gir P = U × I med enheten watt (W).

Eksempel effekt:

Hvor stor effekt utvikles når et apparat er tilkoblet 230 V og strømmen måles til 10 A?

P = U × I = 230 V × 10 A = 2300 W

Eksempel strøm – varmekilde:

Hvor stor strøm trekker en varmekilde merket med 1000 W og 400 V?

I = P / U = 1000 W / 400 V = 2,5 A

Eksempel spenning:

Hvor stor spenning må et elektrisk apparat være tilkoblet når det skal avgi 1000 W ved en strøm på 10 A?

U = P / I = 1000 W / 10 A = 100 V

Eksempel strøm – lyspære:

Hvor stor strøm trekker en lyspære på 60 W når den er tilkoblet en spenning på 230 V?

I = P / U = 60 W / 230 V = 0,261 A

Ved å kombinere Ohms lov og effektformelen kan vi uttrykke effekten ved strøm og resistans eller spenning og resistans.

U = R × I og I = U / R satt inn i P = U × I gir oss følgende formler:

P = R × I × I = R × I² = I² × R

P = U × U / R = U² / R

Eksempel:

Hvor stor er resistansen i en varmekilde som er merket med 2000 W og 230 V?

P = U² / R

R = U² / P = (230 V)² / 2000 W = 26,45 Ω

Eksempel:

Hvor stor resistans er det i et elektrisk apparat som trekker 10 A og er merket med 500 W?

P = I² × R

R = P / I² = 500 W / (10 A)² = 5 Ω

Alle arbeidsprosesser innebærer tap. Det totale effekttapet får vi ved å trekke avgitt effekt fra tilført effekt:

ΔP = $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{tilført}}$$ – $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{avgitt}}$$

En maskins virkningsgrad uttrykkes ved forholdet mellom avgitt og tilført effekt:

η = $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{avgitt}}$$ / $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{tilført}}$$

Eksempel elektromotor:

En elektromotor er stemplet med en avgitt effekt på 1200 W. Fra strømnettet trekker motoren en effekt på 1500 W. Hva er motorens virkningsgrad?

η = $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{avgitt}}$$ / $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{tilført}}$$ = 1200 W/1500 W = 0,8

En virkningsgrad 0,8 betyr at 80 prosent av den tilførte effekten utnyttes til mekanisk arbeid på motorens aksling. Den resterende effekten er varmetap i motorens viklinger og magnetiseringstap i stator og rotor (jerntap).

Eksempel:

En elektromotors merkeskilt oppgir alltid motorens avgitte effekt. På en elektromotor er følgende oppgitt på merkeskiltet:

P = 3100 W , U = 230 V, I = 15 A

Hva er denne motorens virkningsgrad?

$$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{tilført}}$$= U × I = 230 V × 15 A = 3450 W

η = $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{avgitt}}$$ / $$ {\mathrm{P}}_{\mathrm{tilført}}$$ = 3100 W / 3450 W = 0,898 ≈ 0,9

90 prosent av den tilførte effekten utnyttes til mekanisk arbeid på motorens aksling. Motoren har et effekttap på 10 prosent.