กำลังไฟฟ้าและพลังงานไฟฟ้า

ในทางวิศวกรรมไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของประจุ (กระแสไฟฟ้า) ผ่านความต่างศักย์ (แรงดันไฟฟ้า) จำเป็นต้องใช้พลังงาน อัตราที่พลังงานนี้ถูกถ่ายโอนหรือใช้ไปเรียกว่า กำลังไฟฟ้า (Electrical Power) การเข้าใจกำลังและพลังงานเป็นพื้นฐานสำคัญในการเลือกขนาดอุปกรณ์ การคำนวณอายุแบตเตอรี่ และการวิเคราะห์ประสิทธิภาพของวงจร

กำลังไฟฟ้า (Electrical Power, $P$)

กำลัง ถูกนิยามว่าเป็นอัตราการใช้หรือการดูดซับพลังงานเทียบกับเวลา ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง (DC) พื้นฐาน กำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้หรือถูกใช้โดยอุปกรณ์ตัวหนึ่ง จะเท่ากับผลคูณของแรงดันตกคร่อมอุปกรณ์นั้นกับกระแสที่ไหลผ่าน

$P = V I$

โดยที่:

• $P$ = กำลังไฟฟ้า [วัตต์, W]
• $V$ = แรงดันตกคร่อมอุปกรณ์ [โวลต์, V]
• $I$ = กระแสที่ไหลผ่านอุปกรณ์ [แอมแปร์, A]

หนึ่ง วัตต์ (Watt, W) มีค่าเท่ากับการถ่ายโอนพลังงานหนึ่งจูลต่อวินาที (1 W = 1 J/s)

รูปแบบสมการเทียบเท่าสำหรับโหลดความต้านทาน

ด้วยการใช้ กฎของโอห์ม ($V = IR$) เราสามารถแทนค่าแรงดันหรือกระแสเพื่อสร้างสมการกำลังไฟฟ้าในรูปแบบอื่นที่มีประโยชน์อย่างมาก รูปแบบเหล่านี้ใช้ได้เฉพาะกับอุปกรณ์ที่มีความต้านทานในอุดมคติ (เช่น ขดลวดความร้อน หรือตัวต้านทานทั่วไป)

เมื่อแทนค่า $V = IR$: $P = (IR) I = I^2 R$

เมื่อแทนค่า $I = \frac{V}{R}$: $P = V \left(\frac{V}{R}\right) = \frac{V^2}{R}$

สมการ $P = I^2 R$ มีประโยชน์อย่างยิ่งในการคำนวณพลังงานที่สูญเสียไปในรูปของความร้อนในสายส่งไฟฟ้า ซึ่งมักเรียกว่า ความร้อนจูล (Joule heating) หรือ "การสูญเสียแบบ $I^2 R$"

พลังงานไฟฟ้า (Electrical Energy, $W$)

ในขณะที่กำลังไฟฟ้าวัดว่าพลังงานถูกถ่ายโอนไปรวดเร็วเพียงใด พลังงาน (Energy) คือปริมาณงานสะสมทั้งหมดที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง

สำหรับระบบที่กำลังไฟฟ้า $P$ มีค่าคงที่ตลอดช่วงเวลา $t$ พลังงานทั้งหมด $W$ จะเท่ากับผลคูณของกำลังและเวลา:

$W = P t$

โดยที่:

• $W$ = พลังงานไฟฟ้า [จูล, J]
• $P$ = กำลังไฟฟ้าคงที่ [วัตต์, W]
• $t$ = ระยะเวลา [วินาที, s]

หากกำลังไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา พลังงานจะต้องหาจากการอินทิเกรตฟังก์ชันของกำลังไฟฟ้าในช่วงเวลานั้น ($W = \int P(t) dt$)

ในการใช้งานจริงและในเชิงพาณิชย์ พลังงานไฟฟ้ามักจะถูกวัดในหน่วย กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) หรือ "หน่วย (Unit)" มากกว่าหน่วยจูล หนึ่ง kWh คือพลังงานที่เครื่องใช้ไฟฟ้าขนาด 1,000 W ใช้ไปเมื่อทำงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง ($1 \text{ kWh} = 3.6 \times 10^6 \text{ J}$)

การตรวจสอบทางวิศวกรรม

สมการ $P = VI$ และ $W = Pt$ ที่นำเสนอที่นี่เป็นพื้นฐานสำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เมื่อต้องจัดการกับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ที่มีตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำ แรงดันและกระแสจะมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาและอาจมีเฟสไม่ตรงกัน ในกรณีเช่นนี้ จะต้องนำแนวคิดเช่น กำลังไฟฟ้าจริง (Real power) กำลังไฟฟ้ารีแอคทีฟ (Reactive power) และตัวประกอบกำลัง (Power factor) เข้ามาใช้ และสมการ $P = VI$ แบบง่ายจะต้องถูกปรับประยุกต์สำหรับการหากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยตามเวลา