Αποδέκτες

Μέχρι τώρα είδαμε ότι, όταν ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει έναν αντιστάτη, η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται ολόκληρη σε θερμότητα (φαινόμενο Joule). Υπάρχουν όμως πολλές ηλεκτρικές συσκευές, όπως ο ανεμιστήρας, το ηλεκτρικό δράπανο ή το πλυντήριο, στις οποίες θέλουμε η ηλεκτρική ενέργεια να μετατραπεί σε κάτι χρήσιμο που δεν είναι θερμότητα, για παράδειγμα σε κίνηση. Τις συσκευές αυτές τις ονομάζουμε αποδέκτες. Στην ενότητα αυτή θα ορίσουμε τι είναι ο αποδέκτης και θα μάθουμε να μετράμε «πόσο καλά» αξιοποιεί την ηλεκτρική ενέργεια που του δίνουμε, μέσω του συντελεστή απόδοσης.

Ορισμός του αποδέκτη

Ορισμός

Αποδέκτες είναι οι συσκευές στις οποίες η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται κατά το μεγαλύτερο μέρος της σε ενέργεια άλλης μορφής, διαφορετικής από θερμότητα.

Το κρίσιμο σημείο του ορισμού είναι η φράση «κατά το μεγαλύτερο μέρος της». Σε κάθε πραγματική συσκευή ένα μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας θα μετατραπεί αναπόφευκτα σε θερμότητα (για παράδειγμα λόγω της αντίστασης των καλωδίων και των τυλιγμάτων, ή λόγω τριβών). Σ' έναν αποδέκτη όμως η θερμότητα αυτή είναι το μικρότερο μέρος: η συσκευή έχει σχεδιαστεί ώστε το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας να παίρνει μια άλλη, χρήσιμη γι' εμάς μορφή (μηχανική, χημική κ.ά.).

Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο ανεμιστήρας:

Ως αποδέκτης, μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια (το μεγαλύτερο μέρος) — αυτή είναι η κίνηση των πτερυγίων που μας δίνει τον αέρα.
Ταυτόχρονα, ένα μικρότερο μέρος μετατρέπεται σε θερμότητα, που είναι ανεπιθύμητη (ζεσταίνεται ο κινητήρας).

Προσοχή!

Ένας απλός αντιστάτης (π.χ. ένα θερμαντικό σώμα ή το μάτι της κουζίνας) δεν είναι αποδέκτης. Σ' αυτόν όλη η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα, ενώ στον αποδέκτη το ζητούμενο είναι μια μορφή ενέργειας διαφορετική από τη θερμότητα.

Συντελεστής απόδοσης

Για να εκτιμήσουμε πόσο αποδοτικά λειτουργεί ένας αποδέκτης, συγκρίνουμε δύο μεγέθη:

Τη δαπανόμενη ισχύ $P_{\delta\alpha\pi}$ : την ηλεκτρική ισχύ που δίνουμε στον αποδέκτη (αυτήν που καταναλώνει από το κύκλωμα).
Την ωφέλιμη ισχύ $P_{\omega\varphi}$ : την ισχύ της χρήσιμης μορφής ενέργειας που δίνει ο αποδέκτης (στον ανεμιστήρα, τη μηχανική ισχύ).

Ορισμός

Συντελεστής απόδοσης ενός αποδέκτη ονομάζεται το πηλίκο της ωφέλιμης ισχύος (που δίνει ο αποδέκτης) προς τη δαπανόμενη ισχύ (που δίνουμε στον αποδέκτη):

\alpha = \frac{P_{\omega\varphi}}{P_{\delta\alpha\pi}} \tag{26}

Επειδή η ωφέλιμη ισχύς είναι πάντοτε μικρότερη από τη δαπανόμενη (ένα μέρος «χάνεται» ως θερμότητα), ο συντελεστής απόδοσης είναι ένας καθαρός αριθμός μικρότερος της μονάδας:

0 < \alpha < 1

Προσοχή!

Ο συντελεστής απόδοσης $\alpha$ είναι αδιάστατος (λόγος δύο ισχύων, άρα χωρίς μονάδες). Όσο πιο κοντά στο $1$ είναι, τόσο «καλύτερος» είναι ο αποδέκτης, γιατί λιγότερη ενέργεια χάνεται ως θερμότητα. Η τιμή $\alpha = 1$ θα σήμαινε ότι ολόκληρη η δαπανόμενη ισχύς γίνεται ωφέλιμη — κάτι που στην πράξη δεν συμβαίνει ποτέ.

Απόδοση αποδέκτη

Πολλές φορές είναι πιο βολικό να εκφράζουμε τον συντελεστή απόδοσης ως ποσοστό. Τότε μιλάμε για την απόδοση του αποδέκτη.

Ορισμός

Απόδοση ενός αποδέκτη ονομάζεται το ποσοστό:

\alpha\% = \alpha \cdot 100\% = \frac{P_{\omega\varphi}}{P_{\delta\alpha\pi}} \cdot 100\% \tag{27}

Η απόδοση δεν είναι παρά ο ίδιος ο συντελεστής απόδοσης, εκφρασμένος επί τοις εκατό. Έτσι, ένας αποδέκτης με συντελεστή απόδοσης $\alpha = 0,8$ έχει απόδοση $80\%$ : αυτό σημαίνει ότι από κάθε $100$ μονάδες ηλεκτρικής ισχύος που του δίνουμε, οι $80$ γίνονται χρήσιμη ενέργεια και οι $20$ χάνονται ως θερμότητα.

Το ήξερες;

Οι σύγχρονοι ηλεκτρικοί κινητήρες έχουν πολύ υψηλές αποδόσεις (συχνά πάνω από $90\%$ ), γι' αυτό και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θεωρούνται πολύ αποδοτικότερα από εκείνα με κινητήρα εσωτερικής καύσης, στους οποίους το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του καυσίμου χάνεται ως θερμότητα.

Λυμένο παράδειγμα

Παράδειγμα. Η δαπανόμενη ηλεκτρική ισχύς σ' έναν ανεμιστήρα είναι $P_{\delta\alpha\pi} = 200\ \text{W}$ και η ωφέλιμη μηχανική ισχύς είναι $P_{\omega\varphi} = 160\ \text{W}$ . Να βρεθεί ο συντελεστής απόδοσης και η απόδοση του ανεμιστήρα.

Λύση.

Ο συντελεστής απόδοσης προκύπτει απευθείας από τον ορισμό (σχέση 26):

\alpha = \frac{P_{\omega\varphi}}{P_{\delta\alpha\pi}} = \frac{160}{200} = 0,8

Η απόδοση είναι ο συντελεστής αυτός εκφρασμένος ως ποσοστό (σχέση 27):

\alpha\% = \alpha \cdot 100\% = 0,8 \cdot 100\% = 80\%

Ερμηνεία του αποτελέσματος

Ο ανεμιστήρας μετατρέπει το $80\%$ της ηλεκτρικής ισχύος που του δίνουμε σε χρήσιμη μηχανική ισχύ (κίνηση των πτερυγίων). Το υπόλοιπο $20\%$ , δηλαδή $200\ \text{W} - 160\ \text{W} = 40\ \text{W}$ , μετατρέπεται σε θερμότητα, που εδώ είναι ανεπιθύμητη.

Σύνοψη

Μέγεθος	Σύμβολο	Ορισμός	Μονάδα
Δαπανόμενη ισχύς	$P_{\delta\alpha\pi}$	Ηλεκτρική ισχύς που δίνουμε στον αποδέκτη	$\text{W}$
Ωφέλιμη ισχύς	$P_{\omega\varphi}$	Ισχύς της χρήσιμης μορφής που δίνει ο αποδέκτης	$\text{W}$
Συντελεστής απόδοσης	$\alpha$	$\alpha = \dfrac{P_{\omega\varphi}}{P_{\delta\alpha\pi}}$	αδιάστατος, $0<\alpha<1$
Απόδοση	$\alpha\%$	$\alpha\% = \alpha\cdot 100\%$	$\%$

Ολοκληρώθηκε η θεωρία της ενότητας «Αποδέκτες» (ορισμός αποδέκτη, συντελεστής απόδοσης, απόδοση και λυμένο παράδειγμα).