Spis treści:
- 1 Was ist Leistung?
- 2 Die SI-Einheit
- 3 Andere Einheiten der Leistung
- 4 Leistung als Energiefluss
- 5 Formel für die Leistung in Abhängigkeit von Arbeit und Zeit
- 6 Formel für die Leistung in Abhängigkeit von Spannung und Strom
- 7 Leistung eines Widerstands
- 8 Formel für die Leistung nach dem Ohm’schen Gesetz
- 9 Auswahl des Widerstandes
- 10 Elektrische Leistung
- 11 Nennleistung
- 12 Unmittelbare Leistung
- 13 Maximale Leistung
- 14 Durchschnittliche Leistung
- 15 Blindleistung
- 16 Wirkleistung
- 17 Scheinleistung
- 18 Praktische Anwendung von Informationen zur Leistung
- 19 Elektronik und Robotik
- 20 Die Wahl der Elektrogeräte
- 21 Wahl der Stromversorgung
- 22 Leistung – FAQ
Was ist Leistung?
Laut Definition ist die Leistung eine maßstäbliche physikalische Größe, die es ermöglicht, die in einer bestimmten Zeiteinheit verrichtete Arbeit zu beschreiben. Sie kann u. a. die physische Arbeit beschreiben, die verrichtet werden kann (mechanische Leistung, z. B. die Leistung eines Verbrennungsmotors), die Geschwindigkeit, mit der Energie abgegeben wird (z. B. die Leistung eines Lautsprechers) oder die Arbeit, die durch elektrische Energie verrichtet wird (z. B. die Leistung eines Wasserkochers). Man kann also sagen, dass die Leistung die Energiemenge ist, die im Laufe der Zeit zwischen Systemen übertragen wird..Die SI-Einheit
Die SI-Einheit der Leistung ist “Watt” (W). Ein Watt entspricht der in einer Sekunde verrichteten Arbeit im Wert von einem Joule (dies ergibt sich aus der Formel für die Leistung, wobei die Leistung der Quotient aus Arbeit und Zeit ist). Die Einheit ist nach James Watt benannt.Wer war James Watt?
James Watt wurde 1736 geboren und starb 1819. Er war ein britischer Ingenieur und Erfinder, der vor allem für seine Verbesserungen an der Konstruktion von Dampfmaschinen bekannt ist – mit diesen Verbesserungen lösten diese Geräte die industrielle Revolution aus. Er war u. a. der Erfinder der doppelt wirkenden Dampfmaschine oder der dreifach wirkenden Zentrifugalmaschine sowie der Erfinder der heute als mechanisches Pferd bekannten Einheit der Kraft. Seine Beiträge wurden mit einer eigenen SI-Einheit – dem Watt – gewürdigt.Lernen Sie die Formel für Kraft
Die Kraft ist eine vektorielle physikalische Größe, die die physikalischen Wechselwirkungen zwischen bestimmten Körpern misst. Ihre Formel lautet wie folgt: F = p / t wobei:- F – Kraft
- p – Impuls
- t – Zeit
Andere Einheiten der Leistung
Obwohl das Watt die gebräuchlichste Einheit der Leistung ist, werden auch andere Einheiten außerhalb des SI-Systems verwendet. Welche anderen physikalischen Größen werden zur Definition der Leistung verwendet? Pferdestärke (MKS) Die Einheit der Leistung im MKS-System ist die Pferdestärke (PS). Diese Einheit wird vor allem im Automobilbereich verwendet, um die Leistung von Motoren in Fahrzeugen zu bestimmen. Eine Pferdestärke entspricht 75 Kilogrammmetern pro Sekunde, also etwa 735,5 Watt.Erg pro Sekunde (CGS)
Im CGS-Einheitssystem ist die Einheit der Leistung das Erg pro Sekunde (erg/s). Ein Erg pro Sekunde entspricht der Kraft von einem Dyn auf dem Weg von einem Zentimeter pro Sekunde. Ein Watt entspricht zehn Millionen Ergs pro Sekunde.
Leistung als Energiefluss
Leistung kann auch als die Geschwindigkeit des Energieflusses zwischen Systemen definiert werden, d. h. die Abgabe von Energie pro Zeiteinheit. Dabei kann es sich um mechanische, elektrische, chemische oder thermische Energie handeln. Häufig findet auch eine Umwandlung einer Energieart in eine andere statt – so wird z. B. elektrische Energie, die einem Widerstand zugeführt wird, in Wärmeenergie umgewandelt.
Formel für die Leistung in Abhängigkeit von Arbeit und Zeit
Die grundlegende Formel zur Berechnung der Leistung ist der Quotient aus Arbeit und Zeit, d. h. P = W / t.
Arbeit – Formel
W = F x s
wobei:
- F – Kraft
- s – Strecke
Formel für die Leistung in Abhängigkeit von Spannung und Strom
P = U x I
Spannung
Napięcie elektryczne oznacza różnicę potencjałów między dwoma punktami obwodu elektrycznego. Jednostką napięcia w układzie SI jest wolt (V). Napięcie elektryczne między dwoma punktami wynosi jeden wolt, jeżeli do przekazania ładunku jednego kulomba między tymi punktami potrzebne jest wykonanie pracy o wartości jednego dżula. Można więc wyznaczyć wzór U = W / Q.
Stromstärke
Die Stromstärke ist das Verhältnis zwischen der durch den Querschnitt eines Leiters fließenden elektrischen Ladung und der Zeit des Stromflusses. Die Stromstärke lässt sich daher mit der Formel I = Q / t berechnen. Die SI-Einheit des elektrischen Stroms ist das Ampere (A).
Leistung eines Widerstands
Ein Widerstand (Resistor) ist ein Element, das sehr häufig verwendet wird, um die Menge des in einem Stromkreis fließenden elektrischen Stroms zu begrenzen. Widerstände haben keine zusätzliche Funktion – ihre Aufgabe besteht ausschließlich darin, die elektrische Energie, die den Widerstand erreicht, in Wärmeenergie umzuwandeln und so die Strommenge im Stromkreis auf das gewünschte Niveau zu bringen.
Widerstand
Der Widerstand (aktiver elektrischer Widerstand) ist eine physikalische Größe, die das Verhältnis von Spannung und Strom in Gleichstromkreisen beschreibt. Die SI-Einheit des Widerstands ist das Ohm (Ω). Wir können den Wert des elektrischen Widerstands berechnen, wenn wir die Spannung und den Strom im Stromkreis kennen – zu diesem Zweck wird die Formel R = U / I (nach Umformung U = I x R) oder das so genannte Ohmsche Gesetz verwendet.
Formel für die Leistung nach dem Ohm’schen Gesetz
Wir können die Leistung (die Energie, deren Empfänger der Widerstand ist) in einem elektrischen Gleichstromkreis auf der Grundlage des Ohm’schen Gesetzes berechnen, wenn wir nur den Wert des Widerstands und die elektrische Spannung oder den Strom im Kreis kennen. Nach Umformung der Formel für den Widerstandswert erhält man zwei Formeln, mit denen man die vom Widerstand aufgenommene Energiemenge berechnen kann: P = I2 x R und P = U2 / R.
Auswahl des Widerstandes
Die praktische Anwendung der Leistungsformel erfolgt unter anderem bei der Auswahl des richtigen Widerstands für eine bestimmte elektrische Anlage. Auf dieser Grundlage lässt sich berechnen, ob die zulässige Höchstleistung eines bestimmten Modells für die Bedürfnisse eines bestimmten Projekts ausreicht – andernfalls kann der Widerstand überhitzen, was zu einer Beschädigung des Bauteils und des gesamten Systems führen kann.
Widerstand
Der Widerstand eines Resistors sollte immer mit einem gewissen Spielraum gewählt werden. Wenn beispielsweise (unter Berücksichtigung der Toleranz des Widerstands und möglicher Strom- und Spannungsschwankungen der Stromquelle) der maximal erforderliche Widerstandswert des Widerstands 114 Ω beträgt, sollte der nächstgelegene handelsübliche Widerstand über diesem Wert gewählt werden. Im vorliegenden Fall wird dies höchstwahrscheinlich ein 120 Ω-Widerstand sein.
Wichtig!
Ein zu hoher Widerstandswert am Widerstand ist auch ein Nachteil – dann “leitet” das Element nicht genügend Energie an das gespeiste Bauteil weiter, was zu einer Fehlfunktion der Schaltung führen kann.
Zulässige Leistung
Einer der Parameter, die die Eigenschaften eines bestimmten Widerstands bestimmen, ist seine maximal zulässige Leistung. Der Energieverbrauch der Schaltung sollte diesen Wert niemals überschreiten! Die maximale Leistung, die an einem Widerstand anliegt, kann berechnet werden, wenn man die maximale Spannung über dem Widerstand und den Wert seines Widerstands kennt. Dies kann mit der folgenden Formel geschehen: Pmax = URmax 2 / R Wenn Sie beispielsweise schätzen, dass die von einem Widerstand aufgenommene Energiemenge 23,5 W beträgt, wäre es sinnvoll, einen Widerstand mit einer etwas höheren maximal zulässigen Leistung zu wählen – der nächstliegende Wert dürfte 25 W sein. Der Wert könnte höher sein, aber es ist zu bedenken, dass mit zunehmender maximal zulässiger Leistung die Größe des Widerstands zunimmt und der Preis steigt.Größe und Form
Größe und Form eines Widerstands haben wenig mit seinem Widerstandswert zu tun – selbst winzige Bauteile, die mit bloßem Auge kaum zu erkennen sind, können einen Widerstand von Tausenden von Ohm aufweisen. Form und Größe eines Widerstands haben dagegen mit der zulässigen Höchstleistung zu tun. Mit steigendem Wert nimmt die Größe des Widerstands zu, und auch seine Form ändert sich. Widerstände mit einer höheren zulässigen Höchstleistung sind in der Regel teurer.Toleranz
Die Toleranz eines Widerstands bezieht sich auf das Ausmaß, in dem der tatsächliche Widerstand von dem vom Hersteller angegebenen Wert abweichen kann. Zum Beispiel hat ein Widerstand mit einem Nennwiderstand von 100 Ω einen tatsächlichen Widerstand von 95 Ω bis 105 Ω.Arten von Leistung (Begriffe)
Bei der Suche nach Informationen über eine physikalische Größe wie die Leistung stößt man auf viele Formeln und Begriffe, die den Unerfahrenen verwirren können. Aber keine Sorge – im Folgenden finden Sie kurze Erklärungen zu den gängigsten Begriffen.
Es sei darauf hingewiesen, dass sie sich in den meisten Fällen auf dieselbe physikalische Größe beziehen, die in derselben Einheit ausgedrückt wird. Daher ist es trotz der Verwendung des populären Begriffs im Titel schwierig, von “Arten” von Leistung zu sprechen: Es handelt sich vielmehr um unterschiedliche Zusammenhänge, in denen dieselbe Größe auftritt.
Elektrische Leistung
Die elektrische Leistung wird meist im Zusammenhang mit elektrischen Geräten genannt – sie ist die von der Elektrizität in einem bestimmten Zeitraum verrichtete Arbeit. Sie wird daher meist nach der Formel P = U x I als Produkt aus der Spannung, an die das Gerät angeschlossen ist, und der Stärke des durch das Gerät fließenden elektrischen Stroms berechnet.
Nennleistung
Die Nennleistung ist die Leistung, bei der ein bestimmtes Gerät oder elektronisches Bauteil ordnungsgemäß funktioniert. Bei einem Widerstand ist die Nennleistung gleich der maximal zulässigen Leistung (bei Dauerbetrieb und einer bestimmten Umgebungstemperatur). Bei einer Stromversorgung hingegen ist sie der Höchstwert der Leistung, die sie an das zu versorgende Gerät oder System abgibt (kontinuierlich, ohne Leistungsverlust oder Überschreitung der empfohlenen Temperatur).
Unmittelbare Leistung
Die Momentanleistung bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Energie von der Quelle an die Last (oder umgekehrt) geliefert wird. Ihr Wert ist das Produkt aus der momentanen Spannung und dem momentanen Strom. Die Momentanleistung kann auch negative Werte annehmen – das bedeutet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt Energie von der Last zur Quelle übertragen wird.
Maximale Leistung
Die maximale Leistung ist die Leistung, die unter optimalen Bedingungen erreicht werden kann. Sie ermöglicht es, die größte Arbeit (Übertragung der größten Energiemenge) in der kürzesten Zeit zu verrichten. Sie bedeutet nicht unbedingt Dauerbetrieb – die meisten Geräte können ihre maximale Leistung nur vorübergehend erreichen.
Durchschnittliche Leistung
Der durchschnittliche Leistungswert (Durchschnittsleistung) berücksichtigt nicht die Änderungen der Betriebsgeschwindigkeit (Energieübertragung) im Laufe der Zeit. Das bedeutet zum Beispiel, dass Geräte mit demselben Leistungsmittelwert unterschiedliche Momentanwerte oder unterschiedliche Maximalleistungen erreichen können.
Blindleistung
Als Blindleistung bezeichnet man das Ausmaß, in dem elektrische Energie zwischen den Elementen eines Wechselstromkreises pulsiert. Sie wird nicht in Wärmeenergie oder Nutzleistung umgewandelt. Die Einheit der Blindleistung ist das Var (Volt-Ampere-Reaktanz) – wie das Watt ist es das Produkt aus Volt und Ampere.
Wirkleistung
Die Wirkleistung ist die Leistung, die einer Quelle durch eine Last entnommen und in Wärme oder Arbeit umgewandelt wird. In Wechselstromsystemen stellt sie einen Teil dar, während in Gleichstromsystemen die Wirkleistung die gesamte Leistung im System darstellt.
Scheinleistung
Die Scheinleistung ist eine Größe, die in Wechselstromsystemen vorkommt. Sie ist das Produkt aus den Effektivwerten von Spannung und Strom.
Praktische Anwendung von Informationen zur Leistung
Wie viele andere physikalische Kenntnisse sind auch Informationen über die Leistung in vielen Bereichen sehr nützlich. Dazu gehören Elektronik, Automatisierung oder Robotik sowie andere Wissenschaften und verwandte technische Bereiche. Wenn man jedoch weiß, wie Leistung funktioniert, ihren Wert richtig berechnen kann und die Regeln dieser physikalischen Größe kennt, kann man zum Beispiel sparsamere Haushaltsgeräte oder Stromversorgungen auswählen, die auf die Systeme zugeschnitten sind, die sie betreiben sollen.
Elektronik und Robotik
Die Kenntnis der Leistungsformel und das Wissen um die mit dieser physikalischen Größe verbundenen Parameter können in vielen Situationen genutzt werden. Dazu gehören die Auswahl von Bauteilen für elektronische Schaltungen (z. B. Widerstände oder Transistoren), die Kühlung von Geräten (Auswahl von Kühlkörpern) oder die Wahl der richtigen Stromquelle für bestimmte Projekte. Wenn Sie sich beispielsweise für den Einsatz von Elektromotoren in einem Projekt entscheiden, müssen die Komponenten der Stromversorgung auf die Parameter des Motors abgestimmt sein. Wenn Sie sich entscheiden, den Motor mit Hilfe eines Steuerungssystems zu steuern, ist es wahrscheinlich, dass ein geeigneter Mikroprozessor installiert werden muss. Durch die Implementierung geeigneter Algorithmen unter Verwendung geeigneter Transistoren können Sie die momentane Leistung des Motors steuern.
Durch Änderung der Werte der Parameter, die für die Übertragung bestimmter Spannungs- und Stromstärkewerte an den Motor verantwortlich sind, können Sie die Momentanleistung des laufenden Bauteils proportional ändern. Gleichzeitig ist die Gefahr der Überhitzung empfindlicher Komponenten des Systems zu bedenken – selbst ein kleiner Widerstand, der überhitzt, kann zur Ursache für die Beschädigung des gesamten Geräts werden. Um dies zu vermeiden, sollte ein Kühlkörper (eine Komponente, die überschüssige Wärmeenergie von einem elektronischen Bauteil ableitet) mit einer ausreichend hohen Wärmeabstrahlungskapazität verwendet werden. Ein solches Bauteil ähnelt meist einem Miniatur-Heizkörper und wird häufig in elektronischen Schaltungen verwendet, um eine Überhitzung der Bauteile zu verhindern.
Die Wahl der Elektrogeräte
Leistungsstärkere Geräte können in der gleichen Zeit mehr Arbeit verrichten. Ein 1000-Watt-Wasserkocher beispielsweise kann in einer Sekunde 1000 J Arbeit verrichten, d. h. 1000 J Energie auf das Wasser im Inneren übertragen (ohne Berücksichtigung von Verlusten aufgrund von Konstruktionsmängeln usw.). Ein 1400-Watt-Wasserkocher überträgt dagegen 1400 J Energie, d. h. er leistet 1400 J Arbeit – in diesem Wasserkocher kocht das Wasser schneller, so dass er für zeitbewusste Menschen sicherlich die bessere Wahl ist. Aber welches Gerät ist wirtschaftlicher? Um dies zu berechnen, wandeln Sie die Leistungsformel P = W / t in eine Formel zur Berechnung der verbrauchten Energiemenge um: W = P x t. Multiplizieren Sie also die Leistung beider Geräte mit der Zeit, die benötigt wird, um das Wasser zum Kochen zu bringen, und vergleichen Sie dann die Ergebnisse.
Wahl der Stromversorgung
Die richtige Stromversorgung ist für den korrekten Betrieb elektrischer und elektronischer Geräte von größter Bedeutung. Denken Sie daran, dass es am besten ist, Netzteile mit einer höheren Wattleistung als dem benötigten Wert zu wählen: Wenn Ihr Gerät beispielsweise eine maximale Leistung von 500 Watt hat, sollte dieser Wert maximal 70 % der Nennleistung des Netzteils betragen. Das bedeutet, dass Sie in diesem Fall ein Netzteil mit mindestens 714 Watt kaufen sollten – auf dem Markt finden Sie wahrscheinlich Modelle mit 720 oder 750 Watt. Eine ausreichende Leistungsreserve sorgt dafür, dass Ihr Gerät auch bei intensiverem Betrieb problemlos mit Strom versorgt wird, und das Netzteil ist leiser. Beim Kauf eines Netzteils lohnt es sich auch, auf den angegebenen Wirkungsgrad zu achten: Er gibt an, wie viel des aus dem Netz bezogenen Stroms an Ihr Gerät weitergegeben wird. Bei einem 500-W-Netzteil mit einem Wirkungsgrad von 85 % werden beispielsweise 425 W oder 425 Joule pro Sekunde an Ihr Gerät übertragen.
Leistung – FAQ
Leistung ist nichts anderes als eine messbare physikalische Größe, mit der sich die in einer bestimmten Zeiteinheit verrichtete Arbeit beschreiben, genauer gesagt bestimmen lässt. Die Leistung definiert unter anderem die physikalische Arbeit, die verrichtet werden kann (die Leistung eines Antriebs, d.h. die mechanische Leistung). Eine weitere Anwendung der beschriebenen physikalischen Größe ist die Geschwindigkeit der abgegebenen Energie (dies gilt z. B. für die Leistung von Lautsprechern). Die Arbeit, die durch elektrische Energie verrichtet wird (z. B. die Leistung eines Toasters), wird in der Einheit Watt ausgedrückt. Einfacher ausgedrückt, kann die Leistung als die spezifische Energiemenge definiert werden, die in einem bestimmten Zeitraum zwischen ausgewählten Systemen übertragen wurde. Zur Messung der Leistung in elektrischen Geräten werden u. a. Messgeräte in Form von Wattmessgeräten verwendet.
Die Arten (Begriffe) der Leistung beziehen sich meist auf dieselbe physikalische Einheit. Für bestimmte Zusammenhänge und Beispiele werden unterschiedliche Begriffe verwendet. Die elektrische Leistung wird meist zur Beschreibung elektrischer Geräte verwendet. Sie ist nichts anderes als die Arbeit, die von elektrischer Energie in einem bestimmten Zeitraum verrichtet wurde. Zur Berechnung der elektrischen Leistung wird meist die Formel P = U x I, d. h. das Produkt aus Spannung und Strom, verwendet. Weitere Begriffe für Leistung sind: Nennleistung, Momentanleistung, Blindleistung, Maximalleistung, Durchschnittsleistung, Scheinleistung und Wirkleistung.
Wie aus der enzyklopädischen Definition hervorgeht, hängt die Leistung von der verrichteten Arbeit und der Zeit ab, in der diese Arbeit verrichtet wurde. Handelt es sich um zwei identische Systeme, die die gleiche Arbeit verrichtet haben, aber im ersten System war die Zeit, die für diese Arbeit benötigt wurde, doppelt so lang, dann ist die Leistung des ersten Systems doppelt so hoch wie die des zweiten Systems.
