Potentzia elektriko

Potentzia elektrikoa edo ahalmen elektrikoa zirkuitu elektriko baten energia elektrikoaren transferentzia abiadura da, hau da, elementu batek denbora tarte baten sortu edo xahutzen duen energia elektriko kopurua. Potentziaren unitatea Nazioarteko Unitate Sisteman watta (W) da.

Potentzia elektrikoa orokorrean sorgailu elektrikoek sortzen dute, baina bateria elektriko eta beste iturri batzuk ere sortu dezakete. Energia elektrikoaren industriak sare elektrikoaren bitartez etxebizitza eta fabrikak potentzia elektrikoz hornitzen ditu.

Zirkuitu batean dabilen korronte elektrikoak, termodinamikazko edo mekanikazko lanaren bitartez, energia igorri dezake. Lan mekanikoek eta lan kimikoek sortzen duten energia elektrikoaren bidez edota zelula fotoelektrikoetan suertatzen den argi eraldaketaren bitartez elektrizitatea ekoizten da. Gailu elektrikoek potentzia elektrikoa xurgatuz beroa, argia (bonbillak), higidura (motor elektrikoak), soinua (bozgorailua) eta elektrolisia sortu dezakete, adibidez. Gainera, sortutako elektrizitatea bateriatan bildu daiteke.

Gailu elektriko batek xurgatzen duen energia elektrikoa watt-ordu (Wh) edo kilowatt-ordutan (kWh) neurtzen da —1Wh = 3600 joule—. Etxebizitza eta fabrikak energia elektrikoz hornitzen dituzten konpainia elektrikoek orokorrean kilowatt-ordutan fakturatzen dute.

Tentsio elektriko deritzo, karga elektrikoak daraman partikula bat toki batetik beste batera eramateko eremu elektrikoak gauzatzen dion karga unitatean eginiko lanari. Tentsio elektrikoa egoera-aldagaia da; hau da, egindako ibilbideak ez dauka eraginik eta eremu elektrikoaren bi puntuen arteko potentzial elektrikoaren menpe dago soilik.

Definizioa

Potentzia elektrikoa, potentzia mekanikoa bezala, denbora unitatean egindako lana da. P letrarekin adierazten da, eta wattetan neurtzen da. Q coulombez osatzen den I korronte elektriko batek, V potentzial diferentzia bat t denbora batez zeharkatzerakoan, sortutako edo xahututako P potentzia elektrikoa hurrengoa da:

P={\text{denbora unitatean eginiko lana}}={\frac {VQ}{t}}=VI\,

non

Q karga elektrikoa den, coulombetan neurtua,
t denbora den, segundutan neurtua,
I korronte elektrikoaren intentsitatea den, anperetan neurtua,
V potentzial diferentzia den, voltetan neurtua.

Azalpena

Potentzia elektrikoa beste energia mota batzuetan bihurtzen da karga elektrikoek potentzial diferentzia bat zeharkatzen dutenean, zirkuitu elektrikoetako osagai elektronikoetan gertatzen den kasua. Potentzia elektrikoari dagokionez, zirkuitu elektrikoetako osagaiak kategoria bitan banandu daitezke:

Gailu pasiboak edo kargak: karga elektrikoek potentzial diferentzia bat zeharkatzen dutenean tentsio haundiagoko puntutik tentsio txikiagokora, hau da, korrontearen norantza konbentzionala (karga positiboena) terminale positibotik (+) negatibora (-) doanean, karga elektrikoek lan bat egiten dute gailuan. Terminaleen arteko potentzial diferentziaren eraginez karga elektrikoek duten energia potentziala gailuan energia zinetiko bihurtzen da. Gailu hauek osagai pasiboak edo kargak deitzen dira; zirkuituko potentzia elektrikoa xahutu egiten dute eta beste energia mota batzuetan bihurtu, lan mekanikoan, beroan, argian, eta abar. Korronte alternoaren kasuan tentsioaren norakoa periodikoki aldatzen da; korronteak potentzial haundiagoko puntutik potentzial txikiagoko puntura joaten jarrituko du.

Gailu aktiboak edo energi iturriak: kanpoko indar batek karga elektrikoak potentzial elektriko txikiagoko puntutik potentzial haundiagoko puntura eramaten dituenean, karga positiboak terminal negatibotik (-) terminale positibora (+) joanez, lana kargetan egiten da, eta beste motatako energia bat, energia mekanikoa edo energia kimikoa adibidez, energia potentzial elektriko bihurtzen da. Gailu hauek gailu aktibo edo elektrizitate iturriak deitzen dira, eta hauen artean sorgailu elektrikoak eta bateria elektrikoak daude.

Gailu batzuk iturriak zein kargak izan daitezke, beraien tentsio eta korrontearen norantzaren arabera. Bateria kargagarriak adibidez, zirkuitu bati korrontea ematen diotenean iturri bezala jokatzen dute, baina bateria-kargagailu bati konektatuta daudenean eta birkargatzen daudenean karga bezala jokatzen dute.

Potentzia elektrikoa gailu baten sortu edo xahutu egin daitekeenez, potentzia positiboa zehaztuko duen konbentzio bat beharrezkoa da. Honela, zirkuitu batetik irten eta gailu baten sartzen den potentzia elektrikoari zeinu positiboa ematen zaio, eta gailu batetik irten eta zirkuitura doan potentzia elektrikoari zeinu negatiboa. Honela, gailu pasiboek potentzia positiboa xahutzen dute, eta iturriek potentzia negatiboa xahutzen dute.

Potentzia korronte zuzenean

Korronte zuzenean, terminale bi dituen gailu batek garatzen duen potentzia, terminaleen harteko potentzial diferentziaren eta gailutik igarotzen den intentsitate elektrikoaren harteko biderketa da; potentzia tentsio eta korrontearekiko zuzenki proportzionala da. Hau da, potentzia kopuru baterako, zenbat eta tentsio haundiagoa orduan eta korronte txikiagoa, eta alderantziz.

P={\frac {dw}{dt}}={\frac {dw}{dq}}\cdot {\frac {dq}{dt}}=V\cdot I\,

non I aldiuneko korrontearen balioa anperetan den, eta V aldiuneko tentsioaren balioa voltetan. P potentzia wattetan neurtzen da. I, V eta Pren batazbesteko balioentzat formula berbera erabiltzen da.

Gailua R baliodun erresistentzia bat denean —ohmetan neurtua—, edo gailuaren erresistentzia baliokidea kalkulatu badaiteke, aurreko formula ohmen legearekin konbinatu daiteke, eta potentzia honela adierazi daiteke:

P=R\cdot I^{2}={V^{2} \over R}

Potentzia korronte alternoan

Korronte alternoko zirkuituetan, induktantzia edo kapazitantzia dauzkaten elementuek energia metatzen dute, eta honek potentziaren norantza periodikoki alderantzizkatzea eragin dezake. KAko uhin-formaren ziklo oso batean, potentziaren parte bat metatu egiten da eta beste bat lan bihurtzen da. Lan bihurtzen den potentzia erabilgarria potentzia aktiboa da, eta wattetan (W) neurtzen da. Kondentsadore eta solenoideetan metatzen den energia ez da erabilgarria.Potentzia erreaktiboa deritzo, eta bere unitatea volt-anpere erreaktiboa da (VAr). Zirkuituak sorgailu elektrikotik kontsumitu duen energia osoa, erabilgarria eta ez erabilgarria, itxurazko potentzia da, eta bere unitatea volt-anperea (VA) da.

Gailu batek xahautzen duen potentzia aktiboa (P), wattetan (W) hurrengoa da:

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

Potentzia erreaktiboa (Q), volt-anpere erreaktibotan (VAr) hurrengoa da:

Q={1 \over 2}V_{p}I_{p}\sin \theta =V_{rms}I_{rms}\sin \theta \,

Itxurazko potentzia (S), volt-anperetan (VA) hurrengoa da:

S={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}}=V_{rms}I_{rms}

non:

V_p tentsio maximoa den, voltetan,

I_p korronte maximoa den, anperetan,

V_rms tentsio efikaza den, voltetan,

I_rms korronte efikaza den, anperetan,

θ tentsio eta korronte uhinen arteko desfasea den.

Potentzia aktibo, erreaktibo eta itxurazkoaren arteko erlazioa, balioak bektore eran irudikatuz adierazi daiteke. Potentzia aktiboa bektore horizontalaren bitartez irudikatzen da, eta potentzia erreaktiboa bektore bertikalaren bitartez. Itxurazko potentzia aurreko biak lotzen dituen hipotenusaren bitartez irudikatzen da. Irudikapen honi askotan potentzien triangelua deitzen zaio. Pitagorasen teorema erabiliz, potentzia aktibo, erreaktibo eta itxurazkoaren arteko erlazioa hurrengoa da:

{\mbox{(itxurazko potentzia)}}^{2}={\mbox{(potentzia aktiboa)}}^{2}+{\mbox{(potentzia erreaktiboa)}}^{2}

Potentzia aktibo eta erreaktiboa zuzenean kalkulatu daitezke itxurazko potentziatik abiatuta, tentsio eta korrontea sinusoidalak direnean eta berauen harteko θ fase angelua ezagutzen denean:

{\mbox{(potentzia aktiboa)}}={\mbox{(itxurazko potentzia)}}\cos \theta

{\mbox{(potentzia erreaktiboa)}}={\mbox{(itxurazko potentzia)}}\sin \theta

Potentzia aktibo eta itxurazkoaren harteko zatiketa ( $\cos \theta$ ) potentzia faktorea da, eta 0 eta 1 harteko balioa dauka.

Itxurazko Potentzia

Korronte alternoko zirkuitu elektriko baten potentzia konplexua (zeinen magnitudea itxurazko potentzia deitzen den eta S letraz identifikatzen den), zirkuitu horrek eragingo duen xahututako potentziaren eta zirkuitu horren osagaiek erabiliko duten potentziaren batuketa bektoriala da. Xahututako potentziari potentzia aktibo edo erreala deitzen zaio (P letraz izendatuta eta wattetan (W) neurtuta), eta potentzia aktiboari esker bero edo lan bihur daiteke; bestalde, osagaiek erabiliko duten potentziari potentzia erreaktiboa deitzen zaio (Q letraz identifikatua eta voltampere erreaktiboetan (VAR) neurtuta), eta potentzia erreaktiboari esker eremu elektrikoak edota magnetikoak sor daitezke. Hau da, itxurazko potentziak zirkuitu bateko inpedantzia (Z) batekin garatuko den potentzia osoa irudikatuko du. Hona hemen aipatutako bi azpi-potentzien arteko harremana:

$S^{2}=P^{2}+Q^{2}$

Berez, itxurazko potentzia (S) ez da erabilgarri potentzia-faktore batekoa denean salbu (cos φ =1). Potentzia horrek kontuan hartzen du zirkuitu bateko elikadura-sareetan osagai erresistiboek kontsumitutako energia ez ezik, kondentsadoreetan eta hariletan biltzen den energia ere. Era estandarrean voltamperetan (VA) neurtu arren, eta potentzia-kopuru handiak saihesteko, kilovoltamperea (kVA) neurri-unitate moduan erabiltzen da maiz. Hona hemen itxurazko potentziaren formula:

${\displaystyle S=I^{*}\cdot V\,\!}$

Potentzia Aktibo

Potentzia aktiboa deritzo kontsumitutako batez besteko potentzia eta xurgatutako potentziaren energia elektrikoa lan bihurtzeko gai den potentziari. Zirkuitu elektriko batean dauden gailuek energia elektrikoa beste energia mota batzuk bihurtu dezakete. Esterako: mekanika, termika, kimika, argiarena, etab. Beraz, zirkuituak benetan kontsumitzen duen potentzia da aktiboa eta, hortaz, eskaera-elektrikoa zehazteko erabiltzen den potentzia. P letraz izendatzen da eta wattetan (W) edo kilowattetan (kW) neurtzen da.

Hona hemen potentzia aktiboaren adierazpena, Ohm legearen eta inpedantzia-triangeluaren arabera:

${\displaystyle P=I_{e}\cdot V_{e}\cdot \cos \phi =I_{e}\cdot Z\cdot I_{e}\cos \phi =I_{e}^{2}\cdot Z\cdot \cos \phi =I_{e}^{2}\cdot R\,\!}{\displaystyle P=I_{e}\cdot V_{e}\cdot \cos \phi =I_{e}\cdot Z\cdot I_{e}\cos \phi =I_{e}^{2}\cdot Z\cdot \cos \phi =I_{e}^{2}\cdot R\,\!}$

Emaitzak adierazten du potentzia aktiboa soilik elementu erresistiboen menpe dagoela.

Potentzia Erreaktibo

Berez, potentzia erreaktiboa ez da kontsumitzen, ezta sortzen (sortutako potentzia erreaktibo eta kontsumitutako potentzia erreaktibo terminoak, hitzarmen hutsak dira) eta zirkuitu linealetan kondentsadoreak eta harilak daudenean soilik agertzen da. Hori dela eta, zirkuitu induktiboetan edota zirkuitu kapazitiboetan agertutako potentzia guztia erreaktiboa da.

Potentzia Erreaktibo-Induktibo

Demagun irudizko kasu bat non zirkuitu pasibo batek elementu induktibo baten eragina duen: R = 0, Xk = 0 eta Xh ≠ 0; hau da, ez dago ez erresistentziarik, ez kondentsadorerik. Harila da elementu bakarra. Elementu induktibo horri u(t) = U_max * sin(w*t) sinu formako tentsioa ezarriko zaio. Irudizko kasu honetan, zirkuituaren korronte-aldakuntzek harilaren erreaktantzia induktiboa sortuko dute. Egoera horretan; hau da, harilean tentsio alterno bat erantsita, korronte-intentsitatearen uhinak angelu-desfase maximoa izango du: 90 º atzeratuta. Zirkuitu horren uhin esanguratsua sinusoidala izango da, sarearen maiztasunaren bikoitza, simetria eta abzisa ardatzek bat egiten dutela eta, beraz, sorraraziko diren balio bereko azalera positiboak eta negatiboak txandakatu egingo dira.

Azalera positibo eta negatiboen batuketa aljebraikoak baliogabeko ondoriozko potentzia dakar. Hori txandaketa positiboetan posible da, eta harilak eremu magnetikoa sor dezan zirkuituak saretik hartzen du energia; ostera, txandaketa negatiboetan, zirkuituak sarera atzera bueltatzen du hartutako energia eta, bueltatutako energiagatik, harilaren eremu magnetikoa desagertzen da. Berez, joan-etorriko energia honek ez du lanik egiten eta, haren eginkizuna dela medio, oszilatze energia izena hartzen du. Potentzia honek zerotik $(Umax*Imax)/2$ -ra arteko balioak hartzen ditu bai norabide positiboan, bai negatiboan. Hori dela eta, eta aipatutako egoeran, P = 0 eta harilaren erreaktantzia induktiboa aurkako faktore bakarra denez, zirkuituaren intentsitate efikazaren balioa hau da:

$I={\frac {U}{X_{L}}}={\frac {U}{2\cdot \pi \cdot f\cdot L}}\,\!$

Zirkuitu induktibo puruetan, potentzia aktiborik egon ez arren, potentzia erreaktibo-induktiboa ager daiteke eta hau da potentzia horren balioa:

$Q_{L}=I^{2}\cdot X_{L}\,\!$

Zirkuitu induktibo puru honetan ikus daitekeen moduan, korrontearen I eta tentsioaren V arteko angelu-desfasea 90 º-koa da. Gainera, eta grafikoan agertzen den moduan, tentsioak eta korronteak, biek batera, azalera positiboa edo negatiboa duten bitartean, potentziak, azalera positiboa izango du; ostera, azalera negatiboa alderantzizko kasuan.

φ = 90 º izanik, voltampere erreaktiboetan (VAR) neurtuta eta Q letraz adierazita. Haren adierazpenetik egiaztatzen da potentzia soilik elementu erreaktiboen menpe dagoela.

$Q=I\cdot V\cdot \sin \phi =I\cdot Z\cdot I\cdot \sin \phi =I^{2}\cdot Z\cdot \sin \phi =I^{2}\cdot X=I^{2}\cdot (X_{L}-X_{C})=S\cdot \sin \phi \,\!$

Kontzeptualki, joan-etorriko potentzia da potentzia erreaktiboa, hau da, osagai batzuek (harilak eta kondentsadoreak) energia biltzen dutela esaten denean, energia hori behin eta berriz bildu eta bueltatu egiten dela adierazi nahi da. Haatik, osagai hauek arazo larria dute: korronteak egiten duen joan-etorri horietan energia galtzen da.

Energia-galtzea saihestu egin behar da; beraz, galdutako energia-kopurua txikiagotzeko potentzia erreaktibo-induktiboa potentzia erreaktibo-kapazitiboarekin orekatzen da. Konpentsazioarekin, energia horrek ez bidaiatzea eta, hortaz, bidaia horretan energiarik ez galtzea lortuko da. Potentzia erreaktibo bien oreka-prozesuari potentzia-faktorearen konpentsazioa deitzen zaio, eta 1 baliotik ahalik eta hurbilen egotea lortu behar da.

Potentzia Erreaktibo-Kapazitibo

Zirkuitu kapazitibo batean garatutako potentzia guztia da. Demagun irudizko kasu bat non zirkuitu pasibo batek elementu kapazitibo baten eragina duen: R = 0, Xk ≠ 0 eta Xh = 0; hau da, ez dago ez erresistentziarik, ez harilik. Kondentsadorea da elementu bakarra. Elementu kapazitibo horri u(t) = U_max * sin(w*t) sinu formako tentsioa ezarriko zaio. Irudizko kasu honetan, zirkuituaren korronte-aldakuntzek kondentsadorearen erreaktantzia kapazitiboa sortuko dute. Korrontea, kondentsadorea behin eta berriz kargatu eta deskargatuko duena, aplikatutako tentsioa baino 90 º aurreratuago egongo da.

Izan ere, eta harilarekiko arrazoi berengatik, potentzia erreaktibo honek zerotik $(Umax*Imax)/2$ -ra arteko balioak hartzen ditu bai norabide positiboan, bai negatiboan. Uhin horren txandaketak azalera positiboan lan egiten duenean, kondentsadorearen plakak saretik karga hartzen duen aldiari dagokio; hortaz, azalera negatiboan lan egiterakoan, kondentsadorearen plakak energia guztia sarera bueltatzen duenaren aldietan dagoela adierazi nahi du. Potentzia horretan ere azalera positibo eta negatiboen batuketa aljebraikoak baliogabeko ondoriozko potentzia ematen du, eragindako azalera horiek eta induktiboaren balioak, berak eta kontrakoak baitira.

Potentzia aktiboaren balioa hutsa da, eta kapazitatearen erreaktantzia induktiboa aurkako faktore bakarra denez, zirkuituaren intentsitate efikazaren balioa hau da:

$I={\frac {U}{X_{C}}}=U\cdot 2\cdot \pi \cdot f\cdot C\,\!$

Zirkuitu kapazitibo puru bateko diagrama, non tentsioak korronteak baino 90 º-ko angelu-desfase atzeratuagoa daukan.

φ = 90 º izanik

Zirkuitu kapazitibo puruetan, potentzia aktiborik egon ez arren, potentzia erreaktibo-kapazitiboa ager daiteke eta hau da potentzia honen balioa:

$Q_{C}=I^{2}\cdot X_{C}\,\!$

${\displaystyle Q_{C}=V^{2}/X_{C}\,\!}$

OHARRA: Indarreko hitzarmenen arabera, korronte alternoko zirkuituetan potentziarekin lan egiterakoan, potentzia erreaktibo-kapazitiboak balio negatiboa hartzen du (< 0).

Aipatutako potentzia batzuen esanahi fisikoa.

Korronte alternoko sistemetan tentsioen eta korronte intentsitateen aldiuneko balioak aldatuz doazenez, zirkuituek une bakoitzean sare elektrikotik edo sorgailu batetik xurgatzen duten edo haiei ematen dieten energia kopurua aldakorra da.

Bestalde, zirkuitu elektrikoetan dauden gailuen arabera, haietatik igarotzen den intentsitatearen balio handienak gehiago edo gutxiago aurreratuta edo atzeratuta egon daitezke tentsioaren balio handienekiko, eta horren ondorioz, zirkuituek jasaten duten tentsioak eta zirkuituetatik igarotzen diren intentsitateak berdinak izanda ere, epe ez laburretan sare elektriko edo sorgailuetatik xurgatutako, haiei emandako edo haiekin trukatutako energia kopuru osoak guztiz ezberdinak izan daitezke.

Sare elektrikoa eta zirkuituen artean trukatutako energia hori adierazkor gerta dakizkigukeen eta kalkuluak egiterakoan mesedegarriak izan daitezkeen osagaitan deskonposa daiteke.

Zirkuitu bateko intentsitateak tentsioarekiko izan dezakeen aurrerapen edo atzerapenari desfasea deitzen zaio, eta atzerago agertzen diren irudietan ikus daiteke marra urdinez irudikatutako tentsioaren eta marra laranjaz irudikatutako intentsitatearen arteko desfase ezberdinekin unean unean xurgatu edo emandako aldiuneko potentzia zenbatekoa den (marra gorriz irudikatuta).

Aldiuneko potentzia hori unean unean batuz bera ematen duten osagaitan deskonposa daiteke; beti kopuru berean xurgatu edo ematen den energian eta une ezberdinetan xurgatzen eta ematen diren energiak epe luzean berdinak dituen osagaian (irudietan kolore berdez irudikatutako batez besteko potentzia eta potentzia aldakorra) edo kalkulatzeko errazak diren, aurrerago fasoreen bidez irudikatutako eta orain kolore magentaz irudikatzen diren potentzia aktibo eta potentzia erreaktibo osagaitan, adibidez.

Potentzia elektrikoa KA-ko sistemetan korrontea tensioarekiko 50 gradu atzeratuta

Potentzia elektrikoa KA-ko sistemetan intentsitatea tensioarekiko 80 gradu atzeratuta

Potentzia elektrikoa KA-ko sistemetan intentsitatea tensioarekiko 10 gradu atzeratuta

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Irudietan ez dira jarri aurrerago aipatutako itxurazko potentziaren balioak, kalkuluak egiteko mesedegarria izan eta potentzia horren eta aipatutako besteen arteko erlazio matematikoak argiak izan arren, ez delako erraza hari esanahi fisikoa ematea.

Irudietan ikus daiteke potentzia-faktorea zerora hurbiltzen denean (desfasea 90 edo -90 gradutara) batez besteko potentzia eta potentzia aktiboa ere, zerora hurbiltzen direla, eta potentzia-faktorea, alderantziz, batera hurbiltzen denean (desfasea 0 gradutara) potentzia erreaktiboa zerora hurbiltzen dela. Irudietan guztiz argi agertzen ez bada ere, batez besteko potentzia eta potentzia aktiboa haien balio handienetara hurbiltzen dira potentzia-faktorea batera hurbiltzean.

Irudietan argi agertzen den beste kontu bat da aipatutako potentzia gehienen frekuentzia tentsioaren eta intentsitatearen bikoitza dela (zero frekuentzia duen batez bestekoarena ez)

Ikus, gainera

Kanpo estekak

Datuak: Q27137
Multimedia: Electrical power / Q27137