Energía en circuitos eléctricos

Además del voltaje y la corriente, existe otro parámetro importante relacionado con los circuitos eléctricos: potencia . Primero, necesitamos entender qué es la potencia antes de analizarla en cualquier circuito.

¿Qué es la potencia y cómo la medimos?

La potencia es una medida de cuánto trabajo se puede realizar en un período de tiempo determinado. Trabajo se define generalmente en términos del levantamiento de un peso contra la fuerza de la gravedad. Cuanto más pesado es el peso y / o más alto se levanta, más trabajo se ha realizado. Poder es una medida de la rapidez con la que se realiza una cantidad estándar de trabajo.

Para los automóviles estadounidenses, la potencia del motor se mide en una unidad llamada "caballos de fuerza", inventada inicialmente como una forma para que los fabricantes de motores de vapor cuantifiquen la capacidad de trabajo de sus máquinas en términos de la fuente de energía más común de su época:los caballos.

Un caballo de fuerza se define en unidades británicas como 550 pies-libras de trabajo por segundo de tiempo. La potencia del motor de un automóvil no indica la altura de una colina que puede subir o cuánto peso puede remolcar, pero indica qué tan rápido puede subir una colina específica o remolcar un peso específico.

La potencia de un motor mecánico es una función tanto de la velocidad del motor como de su par proporcionado en el eje de salida. La velocidad del eje de salida de un motor se mide en revoluciones por minuto o RPM.

El par es la cantidad de fuerza de torsión producida por el motor, y generalmente se mide en libras-pie o libras-pie (no debe confundirse con pie-libras o pies-libras, que es la unidad para el trabajo). Ni la velocidad ni el par por sí solos son una medida de la potencia de un motor.

Un motor de tractor diesel de 100 caballos de fuerza girará relativamente lento, pero proporcionará una gran cantidad de torque. Un motor de motocicleta de 100 caballos de fuerza girará muy rápido pero proporcionará relativamente poco torque. Ambos producirán 100 caballos de fuerza, pero a diferentes velocidades y pares diferentes. La ecuación para los caballos de fuerza del eje es simple:

Observe que solo hay dos términos variables en el lado derecho de la ecuación, S y T. Todos los demás términos en ese lado son constantes:2, pi y 33,000 son todos constantes (no cambian de valor). La potencia varía solo con los cambios en la velocidad y el par, nada más. Podemos reescribir la ecuación para mostrar esta relación:

Debido a que la unidad de "caballos de fuerza" no coincide exactamente con la velocidad en revoluciones por minuto multiplicada por el torque en libras-pie, no podemos decir que los caballos de fuerza sean iguales a S T. Sin embargo, son proporcionales a otro. A medida que cambia el producto matemático de ST, el valor de los caballos de fuerza cambiará en la misma proporción.

Energía en función del voltaje y la corriente

En los circuitos eléctricos, la potencia es función tanto del voltaje como de la corriente. No es sorprendente que esta relación tenga un parecido sorprendente con la fórmula de potencia "proporcional" anterior:

En este caso, sin embargo, la potencia (P) es exactamente igual a la corriente (I) multiplicada por la tensión (E), en lugar de ser simplemente proporcional a IE. Al utilizar esta fórmula, la unidad de medida de la potencia es el vatio , abreviado con la letra "W"

Debe entenderse que ni el voltaje ni la corriente constituyen energía por sí mismos. Más bien, la potencia es la combinación de voltaje y corriente en un circuito. Recuerde que el voltaje es el trabajo específico (o energía potencial) por unidad de carga, mientras que la corriente es la velocidad a la que las cargas eléctricas se mueven a través de un conductor.

El voltaje (trabajo específico) es análogo al trabajo realizado al levantar un peso contra la fuerza de la gravedad. La corriente (tasa) es análoga a la velocidad a la que se levanta ese peso. Juntos, como un producto (multiplicación), el voltaje (trabajo) y la corriente (tasa) constituyen el poder.

Al igual que en el caso del motor de tractor diesel y el motor de motocicleta, un circuito con alto voltaje y baja corriente puede estar disipando la misma cantidad de potencia que un circuito con bajo voltaje y alta corriente. Ni la cantidad de voltaje por sí sola ni la cantidad de corriente por sí sola indican la cantidad de energía en un circuito eléctrico.

Alimentación en circuito abierto / cortocircuito

En un circuito abierto, donde hay voltaje entre los terminales de la fuente y no hay corriente, hay cero potencia disipada, no importa cuán grande sea ese voltaje. Dado que P =IE e I =0 y cualquier cosa multiplicada por cero es cero, la potencia disipada en cualquier circuito abierto debe ser cero.

Del mismo modo, si tuviéramos un cortocircuito construido con un bucle de cable superconductor (resistencia absolutamente cero), podríamos tener una condición de corriente en el bucle con voltaje cero y, de la misma manera, no se disiparía energía. Dado que P =IE y E =0 y cualquier cosa multiplicada por cero es cero, la potencia disipada en un bucle superconductor debe ser cero. (Exploraremos el tema de la superconductividad en un capítulo posterior).

¿Cómo se relacionan los caballos de fuerza con los vatios?

Ya sea que midamos la potencia en la unidad de "caballos de fuerza" o en la unidad de "vatio", seguimos hablando de lo mismo:cuánto trabajo se puede hacer en un período de tiempo determinado. Las dos unidades no son numéricamente iguales, pero expresan el mismo tipo de cosas.

De hecho, los fabricantes de automóviles europeos normalmente anuncian la potencia de su motor en términos de kilovatios (kW), o miles de vatios, en lugar de caballos de fuerza. Estas dos unidades de potencia están relacionadas entre sí mediante una fórmula de conversión simple:

Por lo tanto, nuestros motores diesel y de motocicleta de 100 caballos de fuerza también podrían clasificarse como motores de “74570 vatios”, o más propiamente, como motores de “74,57 kilovatios”. En las especificaciones de ingeniería europeas, esta calificación sería la norma y no la excepción.

REVISAR:

• La potencia es la medida de cuánto trabajo se puede realizar en un período de tiempo determinado.
• La potencia mecánica se mide comúnmente (en Estados Unidos) en "caballos de fuerza".
• La energía eléctrica casi siempre se mide en "vatios" y se puede calcular mediante la fórmula P =IE.
• La energía eléctrica es producto del voltaje y actual, no por separado.
• Los caballos de fuerza y ​​los vatios son simplemente dos unidades diferentes para describir el mismo tipo de medida física, con 1 caballo de fuerza que equivale a 745,7 vatios.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de energía
• Hoja de trabajo de energía, trabajo, potencia