چگونه انرژی الکتریکی را اندازه بگیرید: یک راهنمای جامع

انرژی الکتریکی چیست؟

انرژی الکتریکی به عنوان حاصلضرب توان الکتریکی و زمان تعریف می‌شود و به ژول (J) اندازه‌گیری می‌شود. یک ژول از انرژی الکتریکی برابر است با مصرف یک وات توان برای یک ثانیه. ریاضیاً می‌توانیم بنویسیم:

E=P×t

که در آن،

• E انرژی الکتریکی به ژول (J) است

• P توان الکتریکی به وات (W) است

• t زمان به ثانیه (s) است

انرژی و توان الکتریکی مفاهیم نزدیک به هم هستند. توان الکتریکی مقدار جریان الکتریکی است که از طریق یک مدار به دلیل یک اختلاف ولتاژ معین در آن عبور می‌کند. توان الکتریکی همچنین نرخی است که انرژی الکتریکی توسط یک دستگاه یا سیستم تحویل یا مصرف می‌شود. توان الکتریکی به وات (W) اندازه‌گیری می‌شود که معادل ژول بر ثانیه (J/s) است. ریاضیاً می‌توانیم بنویسیم:

P=V×I

که در آن،

• P توان الکتریکی به وات (W) است

• V اختلاف ولتاژ به ولت (V) است

• I جریان الکتریکی به آمپر (A) است

برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی، باید هم توان الکتریکی و هم مدت زمانی که آن توان اعمال یا مصرف می‌شود را بدانیم. به عنوان مثال، اگر یک لامپ 100 واتی برای 10 دقیقه روشن شود، انرژی الکتریکی مصرفی آن به صورت زیر خواهد بود:

E=P×t=100 W×10×60 s=60,000 J

واحد‌های انرژی الکتریکی

ژول واحد استاندارد انرژی در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) است، اما برای منظورهای عملی وقتی با مقدار زیادی از انرژی الکتریکی سروکار داریم، بسیار کوچک است. بنابراین، واحدهای دیگری معمولاً برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی استفاده می‌شود، مانند وات-ساعت (Wh)، کیلووات-ساعت (kWh)، مگاوات-ساعت (MWh) و گیگاوات-ساعت (GWh). این واحدها از ضرب واحد توان (وات) در واحد زمان (ساعت) بدست می‌آیند.

• وات-ساعت (Wh) مقدار انرژی الکتریکی مصرفی توسط یک دستگاه یا سیستم است که یک وات توان مصرف می‌کند برای یک ساعت. نشان می‌دهد که چقدر سریعاً توان مصرف می‌شود در طول یک دوره زمانی. یک وات-ساعت معادل 3,600 ژول است. به عنوان مثال، یک لامپ LED 15 واتی 15 Wh انرژی الکتریکی در یک ساعت مصرف می‌کند.

• کیلووات-ساعت (kWh) واحد بزرگتری از انرژی الکتریکی است که معمولاً برای ابزارهای خانگی و قبض‌های برق استفاده می‌شود. یک کیلووات-ساعت برابر است با 1,000 وات-ساعت یا 3.6 مگاژول. به عنوان مثال، یک یخچال که 300 وات توان مصرف می‌کند، 300 Wh یا 0.3 kWh انرژی الکتریکی در یک ساعت مصرف می‌کند.

• مگاوات-ساعت (MWh) واحدی از انرژی الکتریکی است که معمولاً برای اندازه‌گیری خروجی یا مصرف شبکه‌های بزرگ برق یا نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. یک مگاوات-ساعت برابر است با 1,000 کیلووات-ساعت یا 3.6 گیگاژول. به عنوان مثال، یک نیروگاه حرارتی که ظرفیت 600 MW دارد، 600 MWh انرژی الکتریکی در یک ساعت تولید می‌کند.

• گیگاوات-ساعت (GWh) واحدی از انرژی الکتریکی است که برای اندازه‌گیری مقدار زیادی از تولید یا مصرف برق در دوره‌های زمانی طولانی استفاده می‌شود. یک گیگاوات-ساعت برابر است با 1,000 مگاوات-ساعت یا 3.6 تراژول. به عنوان مثال، مجموع مصرف برق در ایالات متحده در سال 2019 حدود 3,800 TWh یا 3.8 میلیون GWh بود.

جدول زیر خلاصه واحدهای انرژی الکتریکی و تبدیل‌های آن‌ها را نشان می‌دهد:

چگونه انرژی الکتریکی را با یک متر اندازه‌گیری کنیم؟

برای اندازه‌گیری انرژی الکتریکی، نیاز به دستگاهی داریم که بتواند توان الکتریکی و مدت زمانی که آن توان اعمال یا مصرف می‌شود را ثبت کند. چنین دستگاهی را می‌توان به نام متر انرژی الکتریکی یا به طور ساده‌تر متر انرژی نامید. متر انرژی دستگاهی است که مقدار انرژی الکتریکی مصرفی توسط یک مسکن، یک کسب و کار یا دستگاه الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند. این متر مقدار توان مصرفی در طول یک بازه زمانی را اندازه‌گیری می‌کند و به واحدهای قابل فاکتوره شدن، مانند کیلووات-ساعت (kWh) کالیبره می‌شود. مترهای انرژی در مدارهای AC خانگی و صنعتی برای اندازه‌گیری مصرف توان استفاده می‌شوند.

انواع مختلفی از مترهای انرژی وجود دارد که به تکنولوژی، طراحی و کاربرد آن‌ها بستگی دارد. برخی از انواع رایج عبارتند از:

• مترهای الکترومکانیکی: این مترهای سنتی هستند که از یک دیسک فلزی چرخان و یک الکترومغناطیس برای اندازه‌گیری توان الکتریکی و ثبت آن در یک سری دایره‌ها یا شمارنده مکانیکی استفاده می‌کنند. آن‌ها همچنین به نام مترهای القایی یا مترهای فراری نیز شناخته می‌شوند. این مترها ساده، پایدار و دقیق هستند، اما دارای برخی از مشکلات همچون افت مکانیکی و خستگی، آسیب‌پذیری نسبت به تحریک و مداخله مغناطیسی و عدم توانایی اندازه‌گیری توان واکنشی یا کیفیت توان هستند.

• مترهای الکترونیکی