Електрическа енергия: определение, единици (J, kWh) и разлика с мощността

Електрическа енергия: дефиниция, единици (J, kWh) и разлика от мощността — ясно обяснение, примери и практични изчисления за дома и индустрията.

Електрическата енергия може да се отнася до няколко тясно свързани неща. Тя може да означава:

• Енергията, съхранена в електрическо поле
• Потенциалната енергия на заредена частица в електрическо поле.
• Енергията, осигурявана от електричеството

Във всеки от тези случаи единицата за електрическа енергия в системата SI е джаул; това е количеството енергия, използвано от товар с мощност един ват, например малка електрическа крушка, която черпи енергия в продължение на една секунда. Единицата, използвана от много компании за електроснабдяване, е ватчас (Wh); това е количеството енергия, използвано от същия товар с мощност един ват, който черпи енергия в продължение на един час. Киловатчасът (kWh), който е 1000 пъти по-голям от ватчаса, е полезен размер за измерване на потреблението на енергия от домакинствата и малките предприятия. Едно типично домакинство използва няколкостотин киловатчаса на месец. Мегаватчасът (MWh), който е 1000 пъти по-голям от киловатчаса, се използва за измерване на енергийната мощност на големи електроцентрали.

Понятията "електрическа енергия" и "електрическа мощност" често се използват като взаимозаменяеми. Във физиката и електротехниката обаче понятията "енергия" и "мощност" имат различно значение. Мощността е скоростта, с която се доставя или потребява енергия, тоест енергия за единица време. Единицата SI за мощност е ват (W): 1 W = 1 J/s. Докато мощността измерва темпото на трансфер на енергия, енергията измерва общото количество работа или топлина, предадена във времеви интервал. По-точно, ако една система поддържа постоянна мощност P в продължение на време t, тогава употребената или доставената енергия E е E = P · t (с t в секунди дава E в джаули).

Единици и преобразувания

• Основна единица в SI: джоул (J).
• Ват (W) — единица за мощност: 1 W = 1 J/s.
• Ватчас (Wh) — енергия, равна на 1 W, работещ един час. 1 Wh = 3600 J.
• Киловатчас (kWh) — 1000 Wh. 1 kWh = 3 600 000 J = 3.6·10^6 J.
• Мегаватчас (MWh) = 1000 kWh, Гигаватчас (GWh) и т.н. се използват за по-големи количества.

Основни формули за електрическа енергия

• При постоянен ток и напрежение: P = V · I, където P е мощност (W), V — напрежение (V), I — ток (A).
• Енергията, доставена за време t: E = P · t = V · I · t. За променливи V и I: E = ∫ V(t)·I(t) dt (интеграл за съответния интервал).
• Потенциалната енергия на точков заряд q в потенциал V: U = q · V.
• Енергия, съхранена в кондензатор: U = 1/2 · C · V^2 (C — капацитет, V — напрежение).
• Плътност на енергията в електрическо поле (в вакуум или диелектрик): u = 1/2 · ε · E^2 (ε — диелектрична проницаемост, E — интензитет на полето).

Практически примери

• Крушка 60 W работи 3 часа: E = 60 W · 3 h = 180 Wh = 0.18 kWh = 0.18 · 3.6·10^6 J = 648 000 J.
• Домакинство използва 300 kWh/месец → енергия в джаули ≈ 300 · 3.6·10^6 J = 1.08·10^9 J.
• Електроцентрала с мощност 100 MW, работеща 10 часа, доставя енергия: E = 100 MW · 10 h = 1000 MWh = 1 GWh.

Допълнителни пояснения

• В практиката за отчитане на потреблението и фактурирането се използва активната (реално доставена) енергия, измервана в kWh.
• Съществуват и понятия като реактивна мощност (измерва се във VAr) и видима мощност (S, във VA). Те не представляват енергия сама по себе си, но са важни при анализ на променливотокови системи и за оразмеряване на оборудване.
• За прецизни изчисления във вериги с променливо напрежение и ток е необходимо да се работи със средни стойности, фази и интеграли за времето.

Кратко резюме: енергия (J, Wh, kWh) е количеството работа или топлина, а мощност (W) е скоростта, с която това количество се доставя или потребява. Те са свързани чрез E = P · t (за постоянна мощност) и чрез интегралната форма E = ∫ V·I dt за променливи величини.

Въпроси и отговори

В: Каква е единицата за електрическа енергия в системата SI?

В: Какво представлява ватчасът?

В: Колко енергия използва едно обикновено домакинство на месец?

В: Каква е разликата между "електрическа енергия" и "електрическа мощност"?

В: Правилно ли е да се каже "поток на енергия"?

В: Правилно ли е да се каже "консумирам количество електрическа енергия"?

Търсене по буква