توان الکتریکی، آهنگ انتقال انرژی الکتریکی توسط یک مدار الکتریکی در واحد زمان است. یکای SI (سیستم یکاهای بین‌المللی) توان، وات یا یک ژول بر ثانیه است.

انرژی الکتریکی معمولاً توسط ژنراتورهای الکتریکی تولید می‌شود امّا می‌تواند توسط منابعی مانند باتری‌های الکتریکی نیز تأمین شود و معمولاً توسط صنعت تولید برق از طریق شبکه‌ی تولید به خانه‌ها و مشاغل عرضه می‌شود. انرژی الکتریکی به طور معمول در واحد کیلووات ساعت (3.6 مگاژول) که حاصل ضرب توان با واحد کیلووات و زمان با واحد ساعت است، به فروش می‌رسد. شرکت‌های برق با استفاده از یک کنتور برق، انرژی را اندازه گیری می‌کنند که میزان کل انرژی را که به مشتری تحویل می‌شود، در خود نگه می‌دارد.

انرژی الکتریکی بوسیله‌ خطوط انتقال هوایی مانند این و کابل‌های زیرزمینی ولتاژ بالا انتقال داده می‌شوند.

توان الکتریکی یک شکل از انرژی با آنتروپی پایین را فراهم می‌کند و می‌تواند در فاصله‌های طولانی حمل شود و به اشکالی از انرژی مانند حرکت، نور یا گرما با بازده بالا تبدیل شود.

تعریف توان الکتریکی

توان الکتریکی مانند توان مکانیکی، آهنگ انجام کار است که با وات سنجیده و با P نمایش داده می‌شود. اصطلاح واتا(wattage) به طور محاوره‌ای به معنی «توان الکتریکی در واحد وات» استفاده می‌شود. توان الکتریکی در واحد وات توسط یک جریان I متشکل از بار Q کولن و هر t ثانیه که از یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) عبور می‌کند، تولید می‌شود.

که

Q بار الکتریکی با واحد کولن،

t زمان با واحد ثانیه،

I جریان الکتریکی با واحد آمپر و

V پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ با واحد ولت است.

تشریح توان الکتریکی

زمانی که بار از یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) عبور می‌کند، به اشکال دیگر انرژی تبدیل می‌شود که این، در اجزای مدار الکتریکی رخ می‌دهد. از نظر توان الکتریکی، اجزا در یک مدار الکتریکی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

دستگاه‌های منفعل یا بارها

در صورتی که بار قراردادی (بار مثبت) از پایانه مثبت به سمت پایانه منفی حرکت کند، بار الکتریکی بر اثر اختلاف پتانسیل از یک ولتاژ بیشتر به یک ولتاژ کمتر جریان می‌یابد؛ در این صورت کار توسط بار بر روی دستگاه انجام شده است. در دستگاه انرژی پتانسیل بارها به دلیل اختلاف ولتاژ بین پایانه‌ها به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود که اجزا منفعل یا بار نامیده می‌شوند؛

این دستگاه‌ها انرژی الکتریکی را از مدار مصرف می‌کنند و به اشکال دیگر انرژی مانند کار مکانیکی، گرما، نور و غیره تبدیل می‌کنند. برای مثال می‌توان وسایل الکتریکی مانند لامپ‌ها، موتورهای الکتریکی و بخاری‌های برقی را نام برد. در جریان متناوب (AC) جهت ولتاژ پیوسته در حال وارونه شدن است ولی جریان همواره از پتانسیل بیشتر به سمت پتانسیل کمتر حرکت می‌کند.

انیمیشنی که بار الکتریکی را نشان می‌دهد.

دستگاه‌های فعال یا منابع انرژی

اگر در یک دستگاه بار توسط یک نیروی خارجی از پتانسیل الکتریکی کمتر به پتانسیل الکتریکی بیشتر حرکت داده شود (بار مثبت از پایانه‌ی منفی به سمت پایانه‌ی مثبت حرکت کند) ، کار بر روی بار انجام می‌شود و انرژی از انواع دیگر آن مانند انرژی مکانیکی یا شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. دستگاه‌هایی که این‌گونه کار می‌کنند، دستگاه‌های فعال یا منابع انرژی نامیده می‌شوند؛ مانند ژنراتورهای الکتریکی و باتری‌ها.

بعضی دستگاه‌ها بسته به ولتاژ و جریان عبوری از آن‌ها می‌توانند بار یا منبع انرژی باشند. برای مثال، یک باتری قابل شارژ زمانی که انرژی یک مدار را فراهم می‌کند مثل یک منبع رفتار می‌کند ولی زمانی که به شارژر متصل و در حال شارژ است، بار است. یک ژنراتور برقی یک منبع انرژی و یک موتور مصرف کننده است.

انیمیشنی که منبع انرژی را نشان می‌دهد.

قرارداد علامت دستگاه‌های منفعل

از آنجا که انرژی الکتریکی می‌تواند به داخل یا خارج از یک جز [مدار] جریان یابد، قراردادی برای جهت مثبت توان الکتریکی نیاز است. بار مثبت به طور قراردادی برای توان الکتریکی که از مدار خارج و به یک جزء وارد می‌شود تعریف می‌شود. در حالی که توان الکتریکی که از جزء خارج و در مدار جریان می‌یابد با علامت منفی تعریف می‌شود. بنابراین اجزای منفعل مصرف توان‌شان مثبت و در منابع انرژی مصرف توان منفی است. این قرارداد علامت دستگاه‌های منفعل نامیده می‌شود.

مدارهای مقاومتی

در مورد بارهای مقاومتی (اهمی یا خطی)، قانون ژول و اهم می‌توانند باهم ترکیب شوند تا حالت‌هایی جایگزین برای مقدار توان تلف شده، شوند:

که R ، مقاومت الکتریکی است.

جریان متناوب

در مدارهای جریان متناوب، ممکن است عناصر ذخیره انرژی مانند ظرفیت القا مغناطیسی و ظرفیت خازنی باعث تغییرات متناوب در جهت جریان انرژی شوند. بخشی از شارش انرژی که به طور میانگین در طول یک چرخه‌ی کامل به شکل موج متناوب موجب انتقال انرژی خالص در یک جهت می‌شود، به عنوان توان واقعی شناخته می‌شود. (همچنین به عنوان توان فعال اشاره شده است.) آن بخش از شارش توان که ناشی از انرژی ذخیره شده‌ای است که در هر چرخه به منبع باز می‌گردد، به عنوان توان راکتیو شناخته می‌شود. توان واقعی P که یک دستگاه در واحد وات مصرف می‌کند، به این صورت است:

که

Vp ولتاژ بیشینه در واحد ولت،

Ip جریان بیشینه در واحد آمپر،

Vrms مقدار مؤثر ولتاژ در واحد ولت،

Irms مقدار مؤثر جریان در واحد آمپر و

θ اختلاف فاز زاویه‌ای بین موج سینوسی ولتاژ و جریان است.

با بیان کردن این کمیت‌ها به صورت برداری می‌توان رابطه‌ی بین توان واقعی، توان راکتیو و توان ظاهری را نشان داد. توان واقعی به عنوان یک بردار افقی و توان راکتیو به عنوان یک بردار عمودی نشان داده می‌شوند. بردار توان ظاهری وتر مثلث قائم الزاویه‌ای است که اضلاع آن را بردارهای توان واقعی و راکتیو تشکیل داده‌اند که مثلث توان نامیده می‌شود. با استفاده از قضیه‌ی فیثاغورث، رابطه‌ی بین توان واقعی، راکتیو و ظاهری بدین صورت بیان می‌شود:

همچنین، توان واقعی و راکتیو را می‌توان به طور مستقیم از توان ظاهری محاسبه کرد که جریان و ولتاژ هر دو سینوسی هستند، با یک اختلاف فاز زاویه‌ای θ بین آن‌ها.

نسبت توان واقعی به توان ظاهری، ضریب توان نامیده می‌شود و همواره عددی است بین 0 و 1 . جایی که جریان و ولتاژ شکل سینوسی ندارند، ضریب توانی تعمیم داده می‌شود تا اثرات اغتشاش را در بر گیرد.

مثلت توان: اجزای توان در جریان متناوب

میدان‌های الکترومغناطیسی

هرجا که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی باهم وجود داشته باشند و در یک مکان نوسان کنند، انرژی الکتریکی شارش می‌کند که همان‌طور که در بخش قبل نشان داده شد، ساده‌ترین مثال آن مدارهای الکتریکی هستند. هرچند به طور کلی، ساده‌ترین معادله یعنی P = IV باید با محاسباتی پیچیده‌تر جایگزین شود، انتگرال ضرب خارجی بردارهای میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در یک سطح مشخص؛ بنابراین:

نتیجه یک عدد است که از انتگرال سطحی بردار پوئین‌تینگ به دست می‌آید.

تولید انبوه الکتریسیته

اصول اساسی تولید انبوه الکتریسیته طی دهه 1820 و اوائل 1830 میلادی توسط مایکل فارادی، دانشمند انگلیسی، کشف شدند. اسلوب اولیه‌ی او امروزه هم استفاده می‌شوند: الکتریسیته توسط حرکت یک حلقه سیم یا صفحه‌ای مسی بین قطب‌های یک آهنربا تولید می شود.

برای شرکت‌های برق، این اولین فرآیند در تحویل الکتریسیته به مصرف‌کننده‌ها است. فرآیندهای دیگر، انتقال، توزیع، ذخیره و بازیابی به وسیله‌ی نیروگاه‌های تلمبه‌ای ذخیره‌ای هستند که معمولاً توسط صنایع برق انجام می‌شوند.

الکتریسیته اغلب در یک نیروگاه توسط ژنراتورهای الکترومکانیکی تولید می‌شود که توسط موتورهای حرارتی بوسیله‌ی احتراق، انرژی زمین گرمایی یا شکافت هسته‌ای هدایت می‌شود. دیگر ژنراتورها توسط انرژی جنبشی حرکت آب و باد هدایت می‌شوند. تکنولوژی‌های دیگری هم برای تولید برق وجود دارند. مانند پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک.

یک باتری، دستگاهی است که از یک یا تعداد بیشتری سلول الکتروشیمیایی که انرژی ذخیره شده‌ی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند، تشکیل شده است. از زمان اختراع اولین باتری (یا «پیل ولتایی») در سال 1800 توسط آلساندرو ولتا، به خصوص ارتقا فنی سلول دنیل در سال 1836 ، باتری‌ها به عنوان یک منبع انرژی در بسیاری از مصارف خانگی و صنعتی رواج یافتند. بر اساس تخمینی که در سال 2005 انجام شد، صنعت باتری در کل دنیا 48 میلیارد دلار فروش داشته است و %6 رشد سالانه دارد. دو نوع باتری وجود دارد: باتری‌های اولیه (یک بار مصرف) که برای یک بار استفاده و پس از آن به دور انداختن طراحی شده‌اند و باتری‌های ثانویه (قابل شارژ) که برای شارژ شدن و چندین بار استفاده کردن طراحی شده‌اند. باتری‌ها در ابعاد مختلفی تولید می‌شوند. از باتری‌های مینیاتوری که برای سمعک‌ها و ساعت‌های مچی تا بانک‌های باتری که اندازه‌ی یک اتاق هستند و زاپاسی برای تأمین انرژی تلفن‌خانه‌ها و مراکز داده‌ی کامپیوتری به شمار می‌روند.

صنایع برق

صنایع برق، تولید و تحویل انرژی کافی برای مناطق مورد نیاز از طریق شبکه‌ی برق رسانی را فراهم می‌کنند. شبکه برق رسانی انرژی الکتریکی را بین مشتریان توزیع می‌کند. انرژی الکتریکی توسط نیروگاه‌های مرکزی یا نیروگاه‌های کوچک و پراکنده تولید می‌شود. صنایع برق به تدریج به سمت کاهش مقررات در حرکت است – با ظهور شرکت‌هایی که به مشتریانشان رقابت با شرکت‌های سنتی عمومی را پیشنهاد می‌دهند.

کاربرد برق

بسیاری از خانوارها و مشاغل، به خصوص در کشورهای توسعه یافته، نیاز به دسترسی به انرژی الکتریکی دارند. تقاضا در کشورهای در حال توسعه کم است. تقاضا برای الکریسیته از نیاز لوازم خانگی، تجهیزات دفاتر کار، صنعت ماشینی و فراهم کردن انرژی کافی برای روشنایی، گرمایش و آشپزی در ابعاد صنعتی و خانگی و فرآیندهای صنعتی به کار کردن با برق، نشأت می‌گیرد. به این دلیل، صنعت برق به عنوان بخشی از زیرساخت‌های عمومی خدمات مشاهده می‌شود.