مفهوم توان الکتريکي و رابطه آن با کاهش مصرف انرژي الکتريکي

در اين مقاله مي آموزيم که صرفاً وجود اختلاف پتانسيل يا جريان الکتريکي نمي تواند موجب به کار افتادن تجهيزات برقي گردد...
اين بار نيز، به همان مثال گالن باز مي گرديم. فرض کنيد، گالن آب از زمين فاصله گرفته است ( يعني اختلاف پتانسيل گرانشي وجود دارد).
حال، شلنگ متصل به گالن را به گحال، شلنگ متصل به گالن را به گونه اي قرار مي دهيم. تا مطابق شکل آب خروجي آن بتواند يک توربين کوچک را به حرکت در آورد. خواهيم ديد که هر چه گالن از سطح زمين فاصله بگيرد، توربين با سرعت بيشتري خواهد چرخيد. به همين ترتيب، اگر قطر شلنگ را افزايش دهيم نيز، حجم آب بيشتري به توربين برخورد کرده و توربين بزرگ تري را مي توانيم به چرخش در آوريم؛ ولي اگر ارتفاع گالن آب از سطح زمين را کم کنيم، طبيعتاً اختلاف پتانسيل گرانشي کاهش پيدا کرده و از يک ارتفاع کمتر، ديگر آب خروجي توان لازم براي غلبه بر اصطکاک لغزشي توربين را نداشته و قادر به حرکت دادن آن نخواهد بود.

همين طور، در صورتي که قطر شلنگ از يک حدي کمتر گردد، يا سر راه شلنگ، فلکه آبي قرار دهيم و شدت آن را کم کنيم، جريان خروجي شلنگ آنقدر کم است، که توان لازم براي چرخش توربين را ندارد. بنابراين، به تجربه خواهيم ديد که توان خروجي آب خارج شده از شلنگ، ارتباط مستقيم با اختلاف پتانسيل گرانشي گرانشي گالن آب و حجم آب خروجي از شلنگ دارد.ا اختلاف پتانسيل الکتريکي و جريان الکتريکي دارد. بر اين اساس، توان الکتريکي به صورت رابطه اي معادل حاصل ضرب ولتاژ در جريان خواهد بود.
W= V I
که در اين رابطه، I جريان و V ولتاژ الکتريکي است.
تا اينجا صورت ساده موضوع بيان گرديد و ما آموختيم بر اساس رابطه فوق؛ مثلاً اگر بر روي يک وسيله برقي نوشته شده 220 وات، بدان معني است که دستگاه فوق 1 آمپر مصرف دارد؛ چرا که اختلاف پتانسيل برق شهر ثابت و 220 ولت است و حاصل ضرب اين اختلاف پتانسيل در جريان مصرفي دستگاه، توان مصرفي دستگاه را نشان خواهد داد.
1A x220v=220watt
حال، موضوع کمي پيچيده مي شود. مي دانيم که دو نوع ولتاژ متناوب و مستقيم وجود دارد. در ولتاژ مستقيم، اختلاف پتانسيل هميشه ثابت بوده و با زمان تغيير نمي کند. در صورتحال، موضوع کمي پيچيده مي شود. مي دانيم که دو نوع ولتاژ متناوب و مستقيم وجود دارد. در ولتاژ مستقيم، اختلاف پتانسيل هميشه ثابت بوده و با زمان تغيير نمي کند. در صورتي که در ولتاژ متناوب، اين اختلاف پتانسيل ثابت نبوده و با زمان تغيير مي کند. مثلاً در مورد برق شهر، ولتاژ در ابتدا صفر، سپس تا 220 ولت مي رسد، مجدداً صفر مي شود، و دوباره 220 ولت و ... و نمودار تغييرات آن بر حسب زمان به صورت يک منحني سينوسي است، مانند شکل زير.

به همين ترتيب، نمودار جريان نيز شکلي سينوسي دارد؛ يعني هنگامي که اختلاف پتانسيل صفر است، ميزان جريان دهي نيز صفر خواهد بود و هنگامي که ولتاژ 220 ولت است، يعني حداکثر اختلاف پتانسيل، ميزان جريان دهي نيز حداکثر خواهد بود. موضوع مهم اين است که بعضي مصرف کننده هاي الکتريکي، مانند سيم پيچ ها يا خازن ها مي توانند موجب اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان گردند.موتورهاي الکتريکي و.... کاربرد دارد. هنگامي که سر راه جريان الکتريکي قرار مي گيرد موجب اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان شده و به اصطلاح ولتاژ از جريان جلو مي افتد. برخلاف اين قطعه، خازن است که موجب جلو افتادقطعه اي به نام سيم پيچ که معمولاً در موتورهاي الکتريکي و.... کاربرد دارد. هنگامي که سر راه جريان الکتريکي قرار مي گيرد موجب اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان شده و به اصطلاح ولتاژ از جريان جلو مي افتد. برخلاف اين قطعه، خازن است که موجب جلو افتادن جريان از ولتاژ مي گردد.

ولي اين موضوع چه اهميتي دارد؟

. هنگامي که بين ولتاژ و حداکثر جريان، اختلاف فاز صورت مي گيرد. حداکثر ولتاژ، ديگر بر روي حداکثر جريان منطبق نبوده و توان الکتريکي افت پيدا مي کند. حتي در مواردي که اختلاف فاز ولتاژ و جريان به 90 درجه برسد، علي رغم آنکه ولتاژ هم داريم و برق قطع نيست؛ ولي توان الکتريکي صفر خواهد شد. حال، اين موضوع چه ارتباطي به مصرف برق منازل دارد؟ بسياري از وسايل مصرف کننده برق در منازل، داراي موتور الکتريکي هستند، و در واقع از سيم پيچ استفاده مي کنند. مانند موتور کولر، ماشين لباسشويي، آبميوه گيري، يخچال و... که موجب ايجاد اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان مي گردند.
اما چگونه مي توان اثر سيم پيچ ها را خنثي کرد؟ خازن ها بر عکس سيم پيچ ها اثرمي کنند و مي توان اثر اختلاف فاز يک سيم پيچ را به وسيله محاسبات، از طريق خازني با ظرفيت مناسب جبران کرد. با استفاده از اين شيوه، حداکثر توان الکتريکي بدست مي آيد و مصرف جريان الکتريکي کاهش مي يابد.

منبع: لذت فيزيک شماره20