《电能与电功率》教学课件

电能与电功率欢迎大家来到《电能与电功率》课程在这个课程中，我们将探讨电能的基本概念、特点以及在日常生活和工业生产中的应用通过系统学习电功和电功率的计算方法，我们将能够理解并分析各种电气设备的能耗情况电能是现代社会的基础，深入了解电能的转化形式和利用效率，有助于我们更好地使用电能，提高能源利用率，减少能源浪费我们还将介绍可再生能源发电和未来电能应用的发展趋势，展望电能科技的未来发展方向课程目标掌握电能基本概念熟练电功与电功率计算12通过本课程学习，学生能够准学习电功和电功率的计算公式确理解电能的定义、特点以及及单位换算，能够解决实际问与其他能量形式的转化关系，题中的电功和电功率计算，为建立起对电能科学的基本认知后续学习电路知识打下坚实基框架础了解电能应用与安全3认识家庭和工业中的电能应用，掌握用电安全知识和节能技巧，培养安全用电和节约用电的意识与习惯电能的定义能量的一种形式微观电子运动易于转化电能是能量的一种形式从微观角度看，电能是电能最大的特点是可以，是带电粒子在电场中由电子在导体中的定向方便地转化为其他形式运动所具有的能量它移动形成的当电子在的能量，如机械能、热是由电荷在电场中的位导体中移动时，它们与能、光能等，这使得电置变化或者电流通过导导体内的原子碰撞，释能成为现代社会中最重体时产生的放能量要的能源之一电能的特点清洁无污染使用方便电能在使用过程中不产生废气、电能可以通过简单的开关控制使废水等污染物，是一种清洁能源用，操作简便，维护成本低电电能的使用不会直接产生二氧能设备启动迅速，响应快，使用化碳等温室气体，有助于减轻环灵活，能够满足各种不同场景的境污染和气候变化问题需求易于传输电能可以通过电网系统进行远距离传输，便于集中生产、分散使用通过改变电压和电流，可以大大减少传输过程中的能量损失，提高传输效率电能的转化形式热能机械能电热器将电能转化为热能2电动机将电能转化为机械能1光能灯泡将电能转化为光能35声能化学能扬声器将电能转化为声能4电解和电池充电将电能转化为化学能能量转化是自然界的基本规律，电能作为一种重要的能量形式，可以与多种能量形式相互转化根据能量守恒定律，在转化过程中，能量的总量保持不变，但由于能量转化效率的限制，通常会有部分能量以热能形式损失电能转化为机械能电流通过线圈当电流通过电动机的线圈时，在磁场中产生电磁力这是因为通电导体在磁场中会受到力的作用，这种力的方向由左手定则决定电磁力产生扭矩电磁力作用于电动机的转子上，产生扭矩使转子旋转扭矩的大小与电流强度、磁场强度以及线圈匝数成正比旋转形成机械能转子的旋转带动机械装置运动，完成电能到机械能的转化这种转化在电风扇、电动汽车、电动工具等设备中广泛应用电能转化为热能电阻发热原理1当电流通过导体时，电子与导体原子碰撞产生热量这种现象被称为焦耳热效应，是电能转化为热能的基本原理电阻越大，产生的热量越多热量与电流关系2产生的热量与电流的平方成正比（）这意味着电流增加一倍Q=I²Rt，产生的热量会增加四倍，这是设计热电设备时需要考虑的重要因素热电设备应用3电热水器、电饭煲、电暖气等设备都是基于这一原理工作的这些设备通常使用电阻丝作为发热元件，通过控制电流大小来调节温度电能转化为光能电流通过发光材料在白炽灯中，电流通过钨丝使其温度升高到约℃，发出白光在2500灯中，电流通过半导体材料，激发电子跃迁产生光子LED能量状态改变在白炽灯中，电能首先转化为热能，然后部分热能转化为光能在灯中，电子从高能级跃迁到低能级时直接释放光子，能量转化更LED为直接高效光的辐射与传播产生的光能以电磁波形式向四周辐射传播不同的发光原理和材料可以产生不同波长（颜色）的光，满足各种照明需求电能转化为化学能电池充电在可充电电池中，充电过程实际上是电电解过程2解过程电流使电池内部发生化学反应，将电能转化为化学能储存起来这种在电解过程中，电流通过电解质溶液，储存的化学能在放电过程中又可以转化导致溶液中的离子定向移动阳离子向回电能阴极移动，获得电子被还原；阴离子向1阳极移动，失去电子被氧化这一过程电镀应用将电能转化为化学能，储存在新形成的电镀技术利用电解原理，将一种金属的化学键中薄层沉积在另一种金属表面这一过程3消耗电能，产生化学变化，被广泛应用于工业生产和装饰领域其他能量形式转化为电能化学能转化为电能机械能转化为电能光能转化为电能电池中的化学反应释放电子，形成电流发电机利用磁生电原理，当导体在磁场太阳能电池利用光电效应，当光子照射这一过程是化学能转化为电能的典型中切割磁力线时，导体中会产生感应电到半导体材料上时，会激发电子形成电例子干电池、锂离子电池等都是基于流水力发电、风力发电等都是将机械流这是光能直接转化为电能的过程，这一原理工作的能转化为电能的应用是清洁能源的重要来源电功的概念物理学定义能量消耗的度量与时间的关系电功是电场力对电荷所电功表示电路中消耗或电功与用电时间有直接做的功，表示电能在电产生的电能总量它是关系相同功率的电器路中被转化的量当电一段时间内电能转化的，使用时间越长，消耗流在电路中流动时，电累积效果，反映了能量的电功越多这也是为源对电荷做功，这个功的总体消耗情况什么我们的电费账单基就是电功于电能消耗量（千瓦时）而非功率电功的计算公式基本公式:W=UIt电功等于电压、电流和时间的乘积其中表示电功，表示电压（伏特），表示电流（安培），表示时1W UI t间（秒）恒定电阻:W=I²Rt当电路中的电阻恒定时，电功可以表示为电流的平方与电阻和时间的乘积这种表2R达方式在分析发热电路时特别有用恒定电压:W=U²t/R当电压恒定时，电功可以表示为电压的平方与时间的乘积除3U以电阻这种表达方式在分析恒压供电系统时非常适用电功的单位千瓦时kW·h实际生活中最常用的电功单位1瓦时W·h2小型电子设备常用单位焦耳J3电功的国际单位制基本单位电功作为一种能量，其国际单位制的基本单位是焦耳在实际应用中，由于焦耳单位太小，不便于表示较大的电能消耗，因此引入了瓦J时和千瓦时作为常用单位千瓦时也常被称为度，是电费计算的基础单位W·h kW·h不同的电功单位之间有明确的换算关系理解这些单位及其换算关系，对于正确计算电能消耗和电费至1kW·h=1000W·h=

3.6×10^6J关重要焦耳（）的定义J物理定义历史由来焦耳是国际单位制中能量的基本焦耳单位以英国物理学家詹姆斯·单位，定义为对物体施加牛顿普雷斯科特焦耳1·James Prescott的力使其在力的方向上移动米的姓氏命名他在世纪1Joule19所做的功在电学中，焦耳等进行了开创性的热力学研究，证1于库仑的电荷在伏特电势差下明了机械能和热能之间的等价关11移动所做的功系，为能量守恒定律奠定了基础实际应用在电学中，焦耳常用于表示瞬时能量转换或小型系统中的能量例如，电容器存储的能量、瞬时放电的能量等但在日常用电计量中，由于其单位太小，通常使用其倍数单位如千焦或兆焦kJ MJ千瓦时（）的定义kW·h基本定义计量应用能量等价千瓦时是表示电能的常用单位，定义为功千瓦时是电费计算的基本单位，家庭和工千瓦时的电能可以做焦耳的功，

13.6×10^6率为千瓦的电器在使用小时后消耗的电业用电的电能表读数就是以千瓦时为单位相当于将吨重的物体提升到米的高度111367能它等于焦耳，在日常生活中电力公司根据用户消耗的千瓦时数量收，或者将升水从℃加热到约℃

3.6×10^6102082也被称为度取电费电功单位的转换1kW·h=1000W·h1W·h=3600J1kW·h=

3.6×10^6J1J=

2.778×10^-7kW·h千卡1kW·h=860kcal1W·s=1J电功单位之间的转换是电学计算中的基本技能理解不同单位之间的换算关系，有助于我们在不同情境下灵活运用电功的计算在实际工程应用中，常需要在焦耳和千瓦时之间进行转换需要注意的是，在能量转换中，常常需要考虑转换效率由于能量转换过程中存在损耗，实际可用的能量往往小于理论计算值例如，将千瓦时的电能转换为热能时，实1际获得的热能会小于千卡，差值即为转换过程中的损耗860电功计算示例1问题描述一台功率为瓦的电热水器在伏的电压下工作了小时，计算其

20002201.5消耗的电功分析过程电功的计算公式为或，其中是功率，是时间在本题中W=UIt W=Pt P t已知功率瓦，时间小时，可以直接使用公式计算P=2000t=

1.5W=Pt计算步骤瓦小时瓦时千瓦时（）W=Pt=2000×

1.5=3000=3kW·h结果与分析该电热水器在工作小时后消耗了千瓦时的电能如果电费为元

1.

530.5/千瓦时，则这次使用电热水器的电费为元3×

0.5=

1.5电功计算示例2问题描述1一盏额定电压为伏，额定电流为安培的灯，每天使用小

120.5LED6时，计算其一个月（天）消耗的电功，以焦耳和千瓦时为单位30表示计算焦耳2首先计算每天的电功日伏安培小时W=UIt=12×

0.5×6×3600秒小时焦耳一个月的电功月日/=129600W=30×W=30×焦耳129600=3888000转换为千瓦时3将焦耳转换为千瓦时月焦耳焦耳千瓦W=3888000÷

3.6×10^6/时千瓦时=

1.08电功率的概念功率的定义物理意义电功率是指单位时间内电能转化从物理学角度看，功率是描述能的快慢，表示电能转化的速率量转换效率的物理量电功率越它描述了电器设备在工作时吸收大，表示单位时间内电能转化量或释放电能的快慢程度，是电器越多，电器工作效率越高，但同性能的重要参数时消耗的电能也越多实际应用在日常生活中，电器的额定功率是选择电器的重要参考指标功率大的电器通常工作效率高，但耗电量也大例如，相同时间内，瓦的电1000热水器比瓦的加热更快，但消耗的电能也更多500电功率的计算公式电阻电路:P=I²R对于纯电阻电路，电功率可以表示为电流的2平方与电阻的乘积这个公式在分析电热设基本公式:P=UI备时特别有用，因为它直接反映了电流通过电功率等于电压与电流的乘积这是最基本电阻产生热量的速率的电功率计算公式，适用于所有电路在这1个公式中，是功率（单位瓦特），是P U恒压电路:P=U²/R电压（单位伏特），是电流（单位安I当电压保持恒定时，电功率可以表示为电压培）的平方除以电阻这个公式在分析家用电器时很实用，因为家庭电网通常提供相对恒定3的电压电功率的单位兆瓦MW，常用于发电厂输出功率11MW=10^6W千瓦kW2，常用于大型家电功率1kW=10^3W瓦特W3国际单位制中功率的基本单位毫瓦mW4，常用于小型电子设备1mW=10^-3W电功率的国际单位制基本单位是瓦特，以英国工程师詹姆斯瓦特的姓氏命名在实际应用中，根据不同设备的功率大小，会使W·James Watt用不同的单位大型工业设备和发电站通常使用千瓦或兆瓦，而精密电子设备则可能使用毫瓦或微瓦kW MWmWμW瓦特（）的定义W物理定义历史渊源日常应用瓦特是国际单位制中功率的基本单位，定瓦特单位以苏格兰工程师詹姆斯瓦特命名瓦特在日常生活中非常常见，几乎所有电·义为每秒钟转化焦耳能量的功率在电学，他改良了蒸汽机的设计，大大提高了其器都标有功率值，如瓦的灯泡、瓦1602000中，瓦特等于安培电流在伏特电压下的效率瓦特还创造了马力这一功率单位的电热水器等了解电器的功率有助于估111功率，用于比较蒸汽机与马的功率算其能耗和选择合适的电路保护装置千瓦（）的定义kW基本定义实际意义12千瓦是功率的单位，等于千瓦的功率意味着设备每秒1瓦特作为瓦特的钟消耗或产生焦耳的能100010001000倍单位，千瓦常用于表示较大量这相当于每小时消耗千1功率的电器和设备的功率值，瓦时的电能从能量转换的角例如电热水器、空调、电动机度看，千瓦的功率足以在短1等时间内显著改变系统的能量状态应用场景3在家庭用电中，大多数大型电器如空调、电热水器的功率都以千瓦为单位标示在工业生产中，机械设备、生产线的功率也常以千瓦计算发电厂的发电量通常以千千瓦（兆瓦）甚至百万千瓦（吉瓦）来表示电功率单位的转换瓦特与千瓦的转换瓦特与马力的转换功率与能量的关系转换千瓦（）瓦特（）机械马力瓦特（）能量（焦耳）功率（瓦特）时间（秒1kW=1000W1≈746W=×）兆瓦（）千瓦（）公制马力瓦特（）1MW=1000kW=10^61=

735.5W瓦特（）电能（千瓦时）功率（千瓦）时间（W=×电马力瓦特（）1=746W小时）吉瓦（）兆瓦（）1GW=1000MW=10^9瓦特（）W在电工实践中，经常需要在不同功率单位之间进行转换特别是在国际交流中，可能会遇到不同国家使用不同的功率单位系统，掌握这些转换关系有助于准确理解设备参数电功率计算示例1问题描述一台电热水壶的额定电压为伏，电阻为欧姆，计算其额定功率

22024.2分析选择公式已知电压伏和电阻欧姆，可以使用公式计算功率U=220R=

24.2P=U²/R代入数值计算伏欧姆瓦千瓦P=U²/R=220²/

24.2=48400/

24.2=2000=2结果分析该电热水壶的额定功率为瓦（千瓦）这意味着它在额20002定电压下每秒钟消耗焦耳的电能，每小时消耗千瓦时的20002电能电功率计算示例2问题描述一个灯带的功率为瓦，连接到伏的直流电源上，计算LED2412其工作电流和电阻计算电流使用公式，瓦伏安培这意味着灯带P=UI I=P/U=24/12=2LED在正常工作时需要安培的电流2计算电阻使用公式，可以得到伏瓦P=U²/R R=U²/P=12²/24=144/24=6欧姆这是灯带等效电阻，实际上灯带内部是由多个LED LED并联组成的LED电功与电功率的关系基本关系数学表达1电功等于电功率与时间的乘积，其中是电功，是电功率，是时间W=Pt WPt2物理意义实际应用4电功率是电功对时间的导数，表示电能转化的通过测量功率和使用时间可以计算电能消耗3速率电功与电功率的关系类似于距离与速度的关系电功率好比速度，表示单位时间内电能转化的快慢；电功好比距离，表示总的电能转化量知道电器的功率和使用时间，就可以计算出消耗的电能总量在实际应用中，电费计算就是基于电功（电能）而非电功率电力公司根据用户消耗的电能（千瓦时或度）收费，而不是根据用户的用电功率收费电能表的工作原理感应式电能表电子式电能表智能电能表传统的感应式电能表利用电磁感应原理工现代电子式电能表使用电子元件测量电流智能电能表在电子式电能表基础上增加了作当电流通过线圈产生磁场，铝盘在磁和电压，通过数字电路计算功率和电能通信功能，可以远程传输数据，实现自动场的作用下旋转，盘上的计数器记录旋转它们不仅精度高，还能记录更多信息，如抄表、用电管理和负荷控制，是智能电网次数，从而计量电能消耗用电时段、峰谷电量等的重要组成部分电能表的读数方法机械式电能表读数1机械式电能表通常有个数字表盘，从左到右依次读出各个表盘上4-5指针所指的数字需要注意的是，有些表盘的指针按逆时针方向转动，读数时要特别留意指针的旋转方向电子式电能表读数2电子式电能表直接在屏幕上显示用电量数字，通常以千瓦时为单LCD位有些电子表可以通过按键切换显示不同时段的用电量、当前功率等信息计算用电量3计算一段时间内的用电量，需要用本次读数减去上次读数例如，本月读数为千瓦时，上月读数为千瓦时，则本月用电量为58245624千瓦时5824-5624=200家庭用电计算月用电量估算电费计算用电分析月用电量可以通过各个电器的功率和使电费用电量电价不同地区和不同通过分析各类电器的耗电情况，可以找=×用时间来估算总电器使用用电类型（居民、商业、工业）的电价出用电大户，有针对性地采取节电措施W=∑P×t例如，一台千瓦的空调每天使用小不同，有些地区还实行阶梯电价，即用通常，空调、电热水器、电暖气等加24时，一个月（天）的用电量为千瓦电量越多，单位电价越高，以鼓励节约热或制冷设备是家庭用电的主要部分302小时天天千瓦时用电×4/×30=240电器的额定功率额定功率的定义额定功率的意义12额定功率是指电器在设计工作额定功率反映了电器的能耗水状态下消耗的电功率它标示平和工作能力对于加热类电在电器的铭牌上，表示电器正器（如电热水器、电饭煲），常工作时的功率消耗水平电功率越大，加热速度越快；对器的实际功率可能会随使用条于动力类电器（如电动机、风件的变化而有所不同扇），功率越大，输出的机械功率越大选择与使用建议3选择电器时，应根据实际需求选择适当功率的产品功率过大会造成能源浪费，功率过小则可能无法满足使用需求同时，应注意不要长时间使电器在超过额定功率的状态下工作，以避免损坏电器或引发安全事故额定电压和额定电流额定电压额定电流额定电压是指电器设计工作时的电额定电流是指电器在额定电压下正压值在此电压下，电器能够安全常工作时的电流值额定电流与额稳定地工作并发挥最佳性能中国定功率和额定电压有关，符合关系居民用电的标准电压为伏（单式额定额定额定例如220I=P/U相），供电频率为赫兹不同，一台伏、瓦的电热水壶502202200国家的标准电压可能不同，如美国，其额定电流为瓦伏2200/220=为伏，日本为伏安培12010010超出额定值的影响如果电压高于额定电压，可能导致电器过热、绝缘材料老化加速，严重时可能烧毁电器；如果电压低于额定电压，可能导致电器工作不正常，如电动机启动困难、灯泡亮度不足等电器铭牌解读基本参数安全认证标志能效等级标签电器铭牌通常包含制造商信息、型号、生铭牌上的安全认证标志表示产品已通过相许多电器还会标注能效等级，通常从级到1产日期等基本信息此外，还会标注设备关安全测试常见的标志包括中国的认级，级能效最高能效等级反映了电器3C51的电气参数，如额定电压、额定频率、额证、欧洲的标志、美国的标志等这的能源利用效率，选择高能效等级的产品CE UL定功率或额定电流，这些是使用电器时必些标志是产品质量和安全性的重要保证可以在长期使用中节约能源和电费须关注的重要信息常见家用电器的功率了解常见电器的功率有助于估算家庭用电量和合理安排用电大功率电器如电热水器、空调等是家庭用电的主要部分，使用时间长的电器如电冰箱、电视虽然功率不大，但由于长时间运行，累计耗电量也很可观需要注意的是，实际功率会随使用条件变化例如，空调在启动瞬间的功率会远高于稳定运行时的功率；变频电器的功率会根据负载自动调节节能电器的特点高效能源转换智能控制系统先进材料应用节能电器采用先进技术提高能源转换效率现代节能电器通常配备智能控制系统，能够节能电器使用高性能材料和结构设计减少能例如，灯比白炽灯更节能，因为它能将根据环境条件和使用习惯自动调整工作模式源损失例如，高效电动机使用优质硅钢片LED更多的电能转化为光能而非热能；变频空调例如，智能冰箱能根据内部温度变化调整和铜线减少电磁损耗；保温性能好的冰箱使能根据实际需求调整功率，避免能源浪费压缩机工作状态，智能洗衣机能根据衣物量用先进的隔热材料减少冷量流失这些材料调整用水量和洗涤时间虽然可能增加初期成本，但能在长期使用中节约能源用电安全注意事项正确选择电器安全用电习惯电路安全措施选购符合国家安全标准的电器产品，注不用湿手触摸电器或开关，避免电器进定期检查电线是否老化、破损，及时更意查看产品是否有认证标志使用电水使用完毕后及时关闭电源，长时间换有问题的电线安装漏电保护器，能3C器时严格按照说明书操作，不要超负荷不用的电器应拔掉插头不要同时在一有效防止漏电事故保持电器及其周围使用特别注意电器的额定电压是否与个插座上连接多个大功率电器，避免电环境干燥、通风，特别是厨房和浴室等家庭供电电压相匹配路过载潮湿场所的电器，应特别注意防水、防潮短路的危害火灾风险设备损坏1短路产生大电流和高热电器和线路可能烧毁2电网影响触电危险4可能导致区域性停电3短路可能导致外壳带电短路是指电路中的正负极（或火线与零线）直接接触，导致电路电阻急剧减小，电流剧增的现象短路时电流可能达到正常值的几十倍甚至上百倍，产生的热量足以熔化导线，引发火灾短路的常见原因包括电线绝缘层老化破损、电器内部元件失效、金属物体意外接触电路等为防止短路危害，电路中通常安装保险丝或断路器，在发生短路时能迅速切断电路在日常生活中，应避免电线过度弯折、受压或接触尖锐物体，定期检查电线和电器的状态过载的危害电路发热当电路中流过的电流超过线路或电器的额定值时，会产生过多的热量这些热量会使导线和电器温度升高，加速绝缘材料老化，降低使用寿命绝缘损坏长期过载会导致电线绝缘层因高温而老化、开裂，失去绝缘性能一旦绝缘层损坏，可能导致导线直接接触，引发短路或漏电事故火灾隐患过载产生的高温可能点燃周围可燃物，特别是在电线穿过木质结构或靠近窗帘、纸张等易燃物的地方据统计，过载是家庭火灾的主要原因之一漏电的危害人身安全风险火灾隐患漏电最大的危害是可能导致人触漏电可能在漏电点产生电弧和高电当电器外壳或其他通常不带温，点燃周围可燃物质，引发火电的金属部分因漏电而带电时，灾特别是隐蔽在墙壁或天花板人触碰这些部分就会发生触电事内的电线漏电，更难被发现，火故严重时可能导致伤亡，特别灾风险更大是在潮湿环境中，触电风险更高设备损坏漏电会导致电器内部电路异常，可能损坏敏感的电子元件长期微小漏电还会导致电能浪费，增加电费支出此外，漏电还可能干扰其他电子设备的正常工作，如造成信号干扰电路保护装置保险丝断路器（空气开关）漏电保护器保险丝是最基本的过流保护装置，利用电断路器是可重复使用的过流保护装置，具漏电保护器专门用于检测电路中的漏电电流热效应工作当电流超过额定值时，保有自动检测过流并切断电路的功能与保流当检测到漏电电流超过安全阈值（通险丝内的金属丝会因过热而熔断，切断电险丝不同，断路器跳闸后可以手动复位，常为）时，漏电保护器会在极短时30mA路保险丝结构简单、成本低，但使用一无需更换现代断路器还可能具备过压保间内（秒）切断电源，防止触电事故

0.1次后需要更换护、欠压保护等附加功能发生保险丝的作用过流保护保险丝的主要功能是在电流异常增大时切断电路，防止过大电流对电路和电器造成损害它利用电流热效应，当电流超过保险丝额定值时，保险丝中的金属导体会熔化，断开电路短路保护短路时电流会急剧增大，保险丝能在极短时间内熔断，防止短路电流对电路造成更大损害保险丝的熔断速度与电流大小成反比，电流越大，熔断越快火灾预防保险丝通常安装在密闭的绝缘外壳内，即使熔断产生电弧也被限制在安全空间内，不会引燃周围可燃物这种设计使保险丝成为有效的火灾预防装置。