انرژی واقعی و انرژی ظاهری

اگرالکتریسیته داشته باشیم با آن چه میکنیم؟

میتوان با الکتریسیته کارانجام داد که درفیزیک ازآن بعنوان انتقال انرژی از یک جسم به جسم دیگر دراثراعمال نیرو یاد شده است. درواقع هروقت که شما مداری داشته باشید که درآن الکتریسیته جریان دارد وعملی را با آن انجام میدهید به لحاظ فیزیکی “کار” انجام داده اید. واحد کار وانرژی در سیستم متریک “ژول” میباشد.

حال بالاخره به نقطه ای که دربحث الکتریسیته میخواستیم، رسیدیم. “تعریف انرژی”

به عبارت ساده انرژی عبارت است ازسرعت انجام کار. هرچه انرژی شما در یک سیستم بیشتر باشد کار بیشتری درزمان یکسان انجام خواهدشد . در زبان الکتریسیته، افزایش انرژی موجب توانایی کارالکتریکی بیشتر خواهد شد (برای مثال وجود وسایل برقی بیشتری درمدار، چرخش سریعتر یک موتور یا راه اندازی یک پردازشگرسریعتر و…) درزمان یکسان. انرژی با وات اندازه گیری میشود واز آنجا که انرژی ، سرعت انجام کار است ، یک وات مساوی با انجام یک ژول کار در زمان یک ثانیه خواهد بود.

Power (W) = Work (J) / Time (seconds)

متناظراً مقدارانرژی مصرف شده توسط یک وسیله عبارت ازمیزان وات مصرفی درزمان مصرف آن برحسب ثانیه است.

Work (J) = Power (W) * Time (seconds)

محاسبه انرژی الکتریکی بسته به نوع الکتریسیته میتواند بسیارساده یا بسیارپیچیده باشد ، بگذارید باجریان مستقیم شروع کنیم. دراینجا انرژی مصرفی برحسب وات صرفاً برای تولید ولتاژ(برحسب ولت) وجریان مدار(برحسب آمپر) میباشد.

P (W) = V (V) * I (A)

یک فرمول بسیارساده وقابل درک. وقتی که الکترونها با نیروی بیشتری رانده میشوند (ولتاژ بیشتر) وهمینطور وقتی تعداد بیشتری الکترون درواحد زمان وجود داشته باشد (جریان بیشتر) کاربیشتری انجام خواهد شد. از آنجا که
 P = V*I
و
I = V/R
بنابراین، فرمول فوق را بطریق
P = V² / R
نیز میتوان بیان کرد. برای مثال اگریک مدار ساده ۵ ولتی ویک مقاومت ۲۰ اهمی داشته باشیم ، جریان عبوری از مدار ۲۵۰ میلی آمپر خواهد بود وانرژی کلی
۵*۰٫۲۵۰=۱٫۲۵ W
میباشد.

حال اگرولتاژ را دوبرابر کنیم (۱۰ ولت) انرژی مصرفی دوبرابر نخواهد شد بلکه چهار برابر میشود زیرا دوبرابر شدن ولتاژدرحالیکه مقاومت ثابت مانده است جریان را دوبرابر خواهد کرد. انرژی کلی در اینحالت ۵ وات میباشد.

جای تعجب نیست که درحالت جریان متناوب ، پاسخ بسیارپیچیده تر است. برای فهم مطلب،لازم است که مفهوم فاز را تعریف کنیم که من سعی میکنم بدون اینکه مطلب پیچده شود آنرا بیان کنم (کار ساده ای نیست) . یک سیگنال جریان متناوب (که درقسمت جریان مستقیم ومتناوب توضیح داده شده است ، موج ولتاژی است که بین یک مقدار مثبت و منفی در نوسان است وموج جریان نیز با آن حرکت میکند. اگرچه بعضی اوقات جریان و ولتاژ همزمان به نقطه اوج نمیرسند. اختلاف زمانی بین جریان وولتاژدر یک سیکل را “فاز” آن میگویند که برحسب درجه بیان میشود زیراسیکل یک موج سینوسی مشابه یک دایره است. ۳۶۰ درجه یک سیکل کامل است، ۱۸۰ درجه نصف سیکل و…

حال چه عاملی اختلاف فازبین جریان و ولتاژ راتعیین میکند؟ قبل ازهرچیزنوع بارهایی که درمسیر واقع شده اند.

بارهای ساده مانند لامپهای حبابی، گرمکن های المنت دار ونظایر آن، بارهای مقاومتی نامیده میشوند. این بارها باعث میشوند که فازبین جریان وولتاژ نزدیک صفر باشد. وقتی که زاویه فاز صفر باشد ولتاژ وجریانی که به باراعمال میشود مساوی با ولتاژ وجریانی است که توسط بارمورد استفاده قرار میگیرد.

بارهای دیگر بخصوص مواردی مانند موتورهای الکتریکی، بارهای واکنشی (
Reactive
) خوانده میشوند. این بارها مانند خازنها و القا کننده ها باعث مقاومت در جاری شدن الکتریسیته متناوب میشوند ومیتوانند اختلاف فازی تا ۹۰ درجه بین جریان و ولتاژ ایجاد کنند.

اگرزاویه فاز بین جریان و ولتاژ ۹۰ درجه باشد،هرگاه ولتاژ درنقطه ماکزیمم باشد(چه مثبت وچه منفی) جریان درنقطه صفر قراردارد وبرعکس. این، بدترین حالت ممکن است که معمولاً دردنیای واقعی اتفاق نمی افتد زیرا بارهای واقعی هرگز کاملاً واکنشی (
Reactive
) نمیباشند. یک وضعیت متداول اینست که این زاویه حدود ۴۵ درجه باشد.

بسیارخوب، ممکن است شما بگویید که این اطلاعات به چه درد میخورد؟ این، یک دلیل مهم است :

بار منابع تغذیه کامپیوتر، قسمتی واکنشی است ومعمولاً یک اختلاف فاز ۴۵ درجه ای بین ولتاژ وجریان وجود دارد ومعنای آن اینست که ولتاژ وجریانی که به بار اعمال میشود مساوی با ولتاژ وجریانی که توسط بار مورد استفاده قرار میگیرد نیست وبنابراین شما نمیتوانیذ انرژی مورداستفاده منبع تغذیه را باضرب کردن جریان در ولتاژ بدست آورید. جالبی قضیه اینجاست: باضرب کردن ولتاژ وجریانی که به دستگاه اعمال میشود میتوان عبارتی رااستخراج نمود که به آن انرژی ظاهری میگویند که برحسب ولت- آمپر اندازه گیری میشود.

Apparent Power (VA) = V (V) * I (A)

انرژی ظاهری معرف ولتاژ وجریانی است که به دستگاه فرستاده میشود ومورد استفاده اش اندازه گیری جریان و ولتاژشرکتی که انرژی الکتریکی را ارسال میدارد، تعیین گرمای تولید شده توسط تجهیزات مورداستفاده وهمچنین تعیین اندازه سیمها ودیگرتجهیزات میباشد. اندازه واقعی انرژی که توسط بارمصرف میشود “انرژی واقعی” ویا فقط انرژی نامیده میشود وبرحسب وات اندازه گیری میشود (اگرچه وات نیز حاصلضرب ولت درآمپراست،انرژی ظاهری برحسب ولت- آمپر بیان میشود تا تفاوت آن باانرژی واقعی مشخص شود)

رابطه بین انرژی وانرژی ظاهری با فرمول زیر بیان میشود:

P (W) = cosine (phase) * Apparent Power (VA)

که در آن”کسینوس” تابع مثلثاتی میباشد. کسینوس فاز “ضریب قدرت” بار نیز نامیده میشود. بگذارید مثالی بزنیم:

فرض کنید میخواهیم منبع تغذیه ای را باولتاژ
۲۲۰
ولت وجریان
۱٫۲
آمپر راه اندازی کنیم. انرژی ظاهری عبارت از ۲۶۴=۲۲۰*۱٫۲ ولت- آمپرخواهدبود. اگرفرض کنیم که ولتاژ وجریان منبع تغذیه ۵۰ درجه اختلاف فاز دارند بنابراین ضریب قدرت

cosine(50º)=۰٫۶۴۳
خواهد بود (برخی اوقات به درصد بیان میشود
۶۴٫۳%
) بنابراین مقدار انرژی واقعی بار،
۱۷۰ W
خواهد بود.

جایی که تمام این پارامترها ایفای نقش میکنند تعیین ظرفیت ، اندازه قدرت و منابع تامین برق بدون وقفه میباشد.
UPS
ها معمولاً با انرژی ظاهریشان مشخص میشوند (ولت- آمپر) درحالیکه منابع تغذیه کامپپیوتربا انرژی واقعی (وات) مشخص میگردند. بسیاری ازمردم این دوعبارت را به جای یکدیگر استفاده میکنند درحالیکه مطمئناً دو مفهوم متفاوت میباشند. حال که شما تفاوت این دو مفهوم راشناختید ومفهوم ضریب قدرت را آموختید،چندین سال نوری از ۹۵% مردم درمورد خرید یک
UPS
مناسب و یا وسایلی نظیرآن، جلوهستید.