בפוסטים הקודמים למדנו על מתח, זרם והתנגדות – שלושת הגדלים שמרכיבים את הבסיס של מעגלים חשמליים. אבל כדי לתכנן מערכות חשמליות בצורה חכמה, אנחנו צריכים להבין גם כמה אנרגיה מועברת במעגל בכל רגע. זו בדיוק השאלה שעליה עונה ההספק החשמלי.

אנרגיה והספק

אנרגיה היא מושג בסיסי בפיזיקה, והיא נמדדת ביחידות ג'אול (J).

הספק הוא קצב השימוש באנרגיה – כלומר, כמה אנרגיה נצרכת או מומרת בכל שנייה. ההספק מסומן באות P ונמדד ביחידות ואט (W), כאשר ואט אחד שווה לג'אול אחד שנצרך בכל שנייה:

[W]=\frac{[J]}{[s]​}

לדוגמה, נורה שצורכת 60 ואט צורכת בכל שנייה 60 ג'אול של אנרגיה חשמלית – והופכת אותם (בעיקר) לאור וחום.

נוסחאות לחישוב הספק

את ההספק של מערכת חשמלית ניתן לחשב על ידי מכפלת המתח החשמלי המופעל על המערכת בזרם החשמלי הזורם דרכה:

P=I\cdot V

בעזרת חוק אוהם (V=I\cdot R), נוכל לגזור נוסחאות נוספות עבור ההספק:

P=I^2\cdot R

או

P=\frac{V^2}{R}

כל אחת מהנוסחאות הללו מדגישה את הקשר ההדוק בין התנגדות, זרם ומתח – ואת ההשפעה שיש לכל אחד מהמשתנים האלה על כמות האנרגיה שזורמת במעגל.

לדוגמה, בגרף הבא ניתן לראות את הקשר הלינארי בין מתח והספק כאשר הזרם קבוע. ככל שמשנים את המתח, ההספק משתנה באותו כיוון ובאופן קבוע.

לעומת זאת, כאשר ההתנגדות קבועה, הקשר בין הזרם וההספק הוא ריבועי (בגלל שבנוסחה הזרם בחזקת 2). ההספק גדל יותר מהר ככל שהזרם יותר גבוה.

ובשונה משני אלו, כאשר המתח קבוע ההספק צונח מהר יותר ויותר ככל שההתנגדות גדלה:

בונוס: בהינתן הנוסחאות, עבור כל אחד מהגרפים נסו לחשב את גודלו של הרכיב שנשאר קבוע (זרם \ התנגדות \ מתח – בהתאמה).

דוגמאות לחישוב הספק

דוגמה 1: גוף חימום

קומקום מחובר לשקע בקיר (מתח של 230 וולט) וזורם דרכו זרם שגודלו 2 אמפר. לכן, ההספק החשמלי שהקומקום צורך הוא:

P=I \cdot V = 2[A] \cdot 230[V] = 460[W]

דוגמה 2: הספק לפי התנגדות

אם ידוע שההתנגדות של מכשיר מסוים היא 10 אוהם וזורם דרכו זרם שגודלו 3 אמפר:

P=I^2 \cdot R = 3^2[A^2] \cdot 10[\Omega] = 90[W]

מכשירהספק אופייני [W]
נורה חשמלית80
נורת לד10
מיקרוגל1000
קומקום2000
טלוויזיה200

מדידת צריכת אנרגיה לאורך זמן

הספק מתאר קצב. אבל כשמדברים על צריכת אנרגיה בפועל – כמו בחשבונות חשמל – מודדים כמה הספק נצרך לאורך זמן. לשם כך משתמשים ביחידת קילוואט־שעה. כלומר האנרגיה שנצרכה על ידי מערכת שהספקה 1000 ואט במשך שעה אחת:

1[kWh]=1[kW]\cdot 1[hour]=1000[W]\cdot 3600[s]

=\frac{1000[J]}{\cancel{[s]}}\cdot 3600\cancel{[s]}=3.6\cdot 10^6[J]

כלומר:

  • צריכת אנרגיה של מזגן שהספקו 1000 ואט שפועל במשך שעה אחת = 1[kWh]
  • צריכת אנרגיה של מכונת כביסה שהספקה 2000 ואט שפועלת במשך חצי שעה = 1[kWh]
  • צריכת אנרגיה של נורה שהספקה 100 ואט במשך 10 שעות = 1[kWh]

לסיכום

  • ההספק החשמלי הוא מדד חשוב שמייצג את קצב השימוש באנרגיה במעגל.
  • הוא תלוי במתח, בזרם, ובהתנגדות – וניתן לחשב אותו בדרכים שונות.
  • בעולם המעשי, צריכת החשמל נמדדת ביחידות של קוט"ש, שהן פשוט הספק כפול זמן.

לאחר שלמדנו על הספק ואנרגיה חשמליים, ברשומה הבאה נדבר על מקורות חשמליים וכיצד מתאימים אותם למערכות חשמליות שונות.