有功功率和无功功率

既然说到了功率,那就牵扯到能量。

由高中物理知识,我们知道,电阻两端加上电压后,就会在回路中间产生电流。该电阻两端的电压与电流的乘积便是功率,功率在时间的累积下,便是在电阻上消耗的能量,电能在电阻上转变成了热能。

但是,能量究竟是如何从电源传到电阻上的呢?是导线传送的吗?若是,那又是以什么形式传送的呢?

在上高中时,我想肯定是因为电子的移送传送了能量。在当时,我们老师通过例题演算过,电子在导体中移动的速度非常慢。远远不能满足现实中一按开关,灯就亮的的实际情况。记得老师说过,电是以光速传播的。即便如此,我仍没有真正明白电到底是怎么样传送的。难道不是电子移动传送了能量?

电磁场是一种物质。这个概念应该很多人都知道,但是,电磁场看不见、摸不着,这个概念也往往被人忽略。在后文中,我将提到电能是靠电磁场来传播的。我们应该知道,物质是能量的载体。这里就体现了电磁波是一种物质的概念的重要性,否则能量又是怎样通过电磁场传播的呢。

我们来强化一个概念,有电流就存在磁场,有电压就存在电场。这怎么说,高中物理中我们学过奥斯特实验,也学过平行板电容器,这两者分别对应上面所要强化的概念。值得注意的是,我们用电感去表征磁场效应,用电容去表征电场效应。在电路中,所谓的电感、电容主要作用为存储电磁能量和存储电场能量。

为什么要强调「有电流就存在磁场,有电压就存在电场」。这是因为,实际上,电能是依靠电磁场来传输的。这样,也说明了,高中老师说的电是以光速传播的,因为电磁场的传播就是光速。光——也是电磁场的一种罢了。那么电磁场在哪?就是我们上面说的,存在电流和电压的地方就有电磁场。然而,并不是说电压、电流存在于导线中,那么电磁场就被限制在导线中。实际上,电磁场并不存在于导线中。

说道这里,便到了重头戏,电能究竟如何通过电磁场传播的,电磁场究竟存在于哪?关于这个问题,坡印亭(Poynting)定律给出了答案。遗憾的是,在这里,我不能通过简单的叙述,来具体解释坡印亭定律。因为其牵扯到电磁场理论中的很多知识。在这里,我简单的给出一些由坡印亭定律给出的结论。

  1. 导体仅起着定向引导电磁能流的作用,电源对负载的供能是通过导体外的空间电磁场传输。
  1. 无功功率 Q 是维持时变电磁场(交流电)存在的能量。无功的本质就是建立电磁场的代价,没有场,能量无法传输。

上面的结论,简而言之,就是有功功率通过电磁场来传递,而电磁场的产生依赖于无功功率的存在。电磁场存在于通电导线的周边。

至此,我阐明了有功功率和无功功率的关系。还有一点小的概念需要补充。有功功率是指电路从电源吸收功率的大小,其主要是电路中电阻元件耗能的结果;无功功率是电路与电源往复交换功率的幅值,主要是电感、电容的储能和放能的结果。无功功率并不存在真正的能量损耗,只是能量的交换;有功功率则是实实在在的消耗能量。

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