Praca i moc prądu elektrycznego

Praca prądu elektrycznego to energia przekazana przez prąd do urządzenia. Gdy działa żarówka, grzejnik albo ładowarka, energia elektryczna zamienia się na inne formy, na przykład na światło, ciepło albo ruch.

Moc prądu elektrycznego mówi, jak szybko ta energia jest zużywana. Jeśli dwa urządzenia pracują przez taki sam czas, to więcej energii zużyje to, które ma większą moc.

W życiu codziennym łatwo to zauważyć. Czajnik elektryczny ma zwykle większą moc niż lampka biurkowa, dlatego szybciej zużywa energię.

Pracę prądu obliczamy ze wzoru $W = UIt$. W tym wzorze $W$ to praca, $U$ to napięcie, $I$ to natężenie prądu, a $t$ to czas działania urządzenia.

Moc można obliczyć na dwa sposoby:

• $P = \frac{W}{t}$
• $P = UI$

Jednostki tych wielkości są bardzo ważne:

• praca i energia: $J$ czyli dżul
• moc: $W$ czyli wat
• czas: $s$ czyli sekunda
• napięcie: $V$ czyli wolt
• natężenie: $A$ czyli amper

Jeśli w zadaniu jednostki nie pasują do siebie, trzeba je najpierw przeliczyć. Na przykład godziny zamieniamy na sekundy, a kilowaty na waty.

Kilowatogodzina zapisywana jako $kWh$ to jednostka energii, a nie mocy. Oznacza energię zużytą przez urządzenie o mocy $1\,kW$ pracujące przez $1$ godzinę.

Ta jednostka jest wygodna w domu, bo urządzenia często działają długo, a ich moce są podawane w watach lub kilowatach. Dlatego na licznikach i rachunkach za prąd nie używa się zwykle dżuli, tylko właśnie $kWh$.

Przykład: jeśli grzejnik ma moc $2\,kW$ i działa przez $3$ godziny, to zużywa $6\,kWh$ energii.

Najważniejsze przeliczenie w tym temacie to zamiana $kWh$ na dżule.

Zaczynamy od tego, że:

• $1\,kW = 1000\,W$
• $1\,h = 3600\,s$

Dlatego:

$$1\,kWh = 1000\,W \cdot 3600\,s = 3\,600\,000\,J$$

Można też zapisać to jako:

$$1\,kWh = 3{,}6 \cdot 10^6\,J$$

Jeśli chcemy przeliczyć więcej lub mniej niż $1\,kWh$, mnożymy tę wartość przez liczbę kilowatogodzin.

• $2\,kWh = 7\,200\,000\,J$
• $0{,}5\,kWh = 1\,800\,000\,J$
• $3\,kWh = 10\,800\,000\,J$

W zadaniach najczęściej trzeba obliczyć pracę, moc albo zużytą energię. Najpierw sprawdzamy, jakie dane mamy i w jakich są jednostkach.

Jeśli znamy moc i czas, to energię liczymy jako iloczyn tych wielkości. W praktyce domowej często wygodnie jest liczyć w $kW$ i godzinach, wtedy wynik wychodzi w $kWh$.

Jeśli wynik ma być w dżulach, trzeba używać jednostek układu SI albo na końcu przeliczyć $kWh$ na $J$.

Warto pamiętać o prostym schemacie:

• odczytaj dane
• zamień jednostki, jeśli trzeba
• wybierz właściwy wzór
• podstaw liczby z jednostkami
• sprawdź, czy wynik ma sens

Częsty błąd to pozostawienie czasu w godzinach we wzorze $W = UIt$. W tym wzorze czas powinien być podany w sekundach, jeśli wynik ma wyjść w dżulach.

Urządzenia o większej mocy zwykle szybciej zużywają energię. Dlatego czajnik, piekarnik lub farelka pobierają więcej energii w krótkim czasie niż lampka LED.

Nie znaczy to jednak, że urządzenie o małej mocy zawsze zużyje mało energii. Jeśli działa bardzo długo, także może zużyć dużo. Na przykład telewizor albo komputer pracują często przez kilka godzin.

Porównując urządzenia, zawsze patrzymy na dwie rzeczy:

• moc urządzenia
• czas pracy

Dopiero po uwzględnieniu obu tych wielkości można ocenić, ile energii zużyje dane urządzenie i jaki może być koszt jego używania.