Киловатт — производная единица измерения мощности

Электрический ток необходим человечеству. Он существенно облегчает жизнь и подчиняется определенным физическим законам. У его характеристик есть единицы измерения. Кроме того, некоторые из них используются для учета расхода электроэнергии. Киловатт — производная единица измерения мощности электрической энергии.

Общие сведения

Название единицы измерения мощности электрического тока произошло от фамилии шотландского инженера-изобретателя Джеймса Уатта (1736−1819 гг.), который известен всему миру. Он изобрел паровую машину. Мощность электрического тока измеряется в ваттах (Вт).

Каждый электрический прибор обладает определенной мощностью и потребляет какое-то количество электрической энергии. Ее величина измеряется в ваттах, а для мощных потребителей — в киловаттах. Однако некоторые люди не понимают, что киловатт и киловатт-час являются двумя различными единицами измерения. В этом случае нужно рассмотреть физический смысл основных физических величин, определяющих их: силу тока, напряжение (разность потенциалов), сопротивление (электропроводимость), время работы электрооборудования.

Сила тока

Сила тока — количество электрического заряда, проходящего через проводник за единицу времени. Обозначается величина литерой «I» и измеряется в амперах. Она находится расчетным методом или измеряется при помощи электронно-измерительного прибора, который называется амперметром. Он подключается последовательно к нагрузке. Физический смысл силы тока в 1 А следующий: прохождение количества электрического заряда Qз, равное 1 кулону, через площадь поперечного сечения за 1 секунду. 1 Кл примерно равен 6,241*10 ¹⁸ отрицательно заряженных частиц (электронов). Формула зависимости силы тока от Qз и времени (t) следующая: I = Qз / t.

Производные единицы измерения: 1 мА (0,001 А) и 1 кА (1000 А). Для удобства расчетов применяются сокращенные названия или аббревиатуры. Ток классифицируется на постоянный и переменный. Постоянный ток не изменяет направление протекания через проводник, но его амплитуда и величина могут меняться. Переменный ток изменяет направление и амплитуду по определенному закону. Его основной характеристикой является частота.

Согласно закону, происходит разделение на синусоидальный и несинусоидальный виды. В первом случае графиком является синусоида, которая зависит от амплитудного значения (Iмакс) и угловой частоты (w). Закон изменения тока с течением времени (t) записывается таким образом: i = Iмакс * sin (w * t). Параметр угловой частоты зависит от частоты тока (f): w = 2 * Пи * f. В этом соотношении величина Пи является значением, приблизительно равным 3,141592653589793238462643.

К току, изменяемому по несинусоидальному закону, относятся любые законы, в которых отсутствует функция синуса (sin). Очень часто в проектировании преобразователей можно встретить ток трапецеидальной и прямоугольной форм. Определить закон изменения электротока можно с помощью осциллографа, дающего его графическое представление. Необходимо учитывать, что ток является векторной величиной, поскольку имеет направление.

Разность потенциалов

Любое вещество состоит из атомов. Каждый атом обладает нейтральным зарядом и содержит элементарные или субатомные частицы: протоны, электроны и нейтроны. Суммарный положительный заряд протонов (Qp) и отрицательный заряд всех электронов (Qe) компенсируют друг друга (Qp = Qe). При воздействии на вещество внешних сил возможны случаи «захвата» атомом другого электрона, находящегося в составе другого атома. В результате чего атом, «захвативший» «чужой электрон», обладает отрицательным зарядом, поскольку в нем количество электронов преобладает над численным показателем числа протонов (Qe>Qp).

Атом, «потерявший» отрицательно заряженную субатомную частицу, называется положительным ионом, поскольку он обладает положительным зарядом (Qp>Qe). Пытаясь восстановить «потерю», он притягивает к себе отрицательную элементарную частицу соседнего атома. Физический процесс обмена частицами продолжается до тех пор, пока значение внешней силы не будет стремиться к 0 (она будет недостаточной для «вырывания» электрона).

При потере или притяжении частицы образуется электромагнитное поле. Его составляющая зависит от заряда иона и бывает положительной или отрицательной. Разность между составляющими разноименных зарядов называется разностью потенциалов или напряжением. Чем больше разность, тем больше величина напряжения. Оно измеряется в вольтах (В, V) и обозначается буквой U. Замерять его значение можно с помощью вольтметра или осциллографа.

Вольтметр подключается параллельно к участку, на котором следует произвести измерение. Кроме того, U рассчитывается по формулам. Электрическое напряжение — работа электромагнитного поля, выполняемая при перемещении точечного заряда из одной точки в другую. Напряжение, равное 1 В — разность потенциалов между двумя точечными положительным и отрицательным зарядами в 1 Кл, на перемещение которых затрачивается энергия электромагнитного поля в 1 Дж. Производными единицами являются следующие: 1 kV = 1000 V, 1 MV = 1000000 V, 1 mV = 0,001 V.

Электрическая проводимость материала

Электрическое сопротивление зависит от электронной конфигурации вещества. Информацию о ней можно получить из периодической таблицы Д. И. Менделеева. По электронной конфигурации вещества можно классифицировать на следующие типы:

1. Проводники.
2. Полупроводники.
3. Диэлектрики (изоляторы).

К проводникам относятся все металлы, электролитические растворы и ионизированные газы. Высокая проводимость обусловлена наличием свободных носителей заряда. В металлах их роль выполняют свободные электроны. Носителями заряда в электролитических растворах являются анионы и катионы. Первые обладают положительным, а вторые — отрицательным зарядами. Во время протекания электротока через раствор (электролиз) анионы притягиваются отрицательно заряженным катодом, а катионы — анодом, обладающим положительным зарядом. В ионизированном газе носителями заряда являются свободные электроны и положительно заряженные ионы.

Взаимодействие атомов между собой происходит при росте температуры. Происходит разрушение кристаллической решетки проводника, вследствие которого появляются дополнительные свободные электроны. Заряженные частицы, протекающие по проводнику, взаимодействуют с ними и замедляют свое движение.

Если электромагнитное поле действует постоянно, то частицы снова возобновляют свое движение. Они снова взаимодействуют с узлами кристаллической решетки. Этот процесс называется электрической проводимостью или сопротивлением вещества. При повышении температуры его величина возрастает.

К полупроводникам относятся вещества, проводящие электроток только при определенных условиях. При внешнем воздействии происходит уменьшение кулоновской силы притяжения субатомных частиц ядром. Электрон «отрывается» и становится свободным, а на его месте образуется дырка. В результате этого происходит образование положительного электромагнитного поля, которое притягивает соседний электрон, а на его месте образуется дырка. Процесс повторяется, и, в результате этого происходит движение электронов и дырок. Величина электропроводимости материала зависит не только от температуры, но и от других показателей:

1. Геометрических параметров.
2. Тип материала.
3. Параметры электротока (напряжение, сила и тип тока).

Геометрическими параметрами проводника или полупроводника являются следующие: длина и площадь поперечного сечения. Некоторые вещества вообще не проводят электричество, они называются изоляторами или диэлектриками. В них вообще отсутствуют свободные носители заряда. Принятое обозначение сопротивления литерой «R» и измерение в Омах (сокращение — Ом), а также в таких производных единицах: 1 кОм = 1000 Ом, 1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом. Измеряется при помощи омметра или вычисляется расчетным методом.

Мощность электричества

Количество работы, совершаемой электрическим током за единицу времени, называется мощностью. Она преобразуется в различные виды энергий: механическую, тепловую и т. д. В цепях с постоянным и переменным токами она вычисляется различными способами. В большинстве случаев ее рассчитывать нет необходимости, поскольку она указывается на электрооборудовании (на корпусе и в документации). Расчет необходим только при проектировании устройств.

Основные соотношения

В цепи постоянного тока формула мощности записывается таким образом: P = I * U. Существуют и другие соотношения, получаемые из закона Ома (I = U / R):

1. Для участка цепи: P = sqr (I) * R = sqr (U) / R.
2. Для полной цепи (с учетом ЭДС — e) равенство записывается следующим образом: P = I * e = I * e — sqr (I) * Rвн = I * (e — (I * Rвн)).
3. P = I * (e + (I * Rвн)).

Во втором случае формулу нужно применять при условии, что в цепи присутствует электрический двигатель или выполняется зарядка аккумулятора, т. е. происходит потребление электроэнергии. При наличии в электроцепи генератора или гальванического элемента, поскольку происходит отдача энергии, следует применять последнюю формулу. Эти соотношения невозможно применять для цепей, которые потребляют переменный ток. Основная причина — его характеристики, которые меняются с течением времени по определенному закону.

В физике существуют три вида мощностей, которые зависят от элементов: активная (резистор), реактивная (емкость и индуктивность) и полная. Активная мощность вычисляется при помощи следующей формулы: Pа = I * U * cos (a). В соотношении учитываются значения U и I, которые являются среднеквадратичными, а также косинус угла сдвига фаз между ними. Реактивная мощность находится аналогично, только вместо косинуса следует использовать синус: Qр = I * U * sin (a). При индуктивной нагрузке в цепи значение Qp>0, а при емкостной Qp<0. Единицей измерения мощности в международной системе исчислений (СИ) является ватт (сокращенно Вт).

Физический смысл ватта

Физический смысл ватта следующий: расход электроэнергии за определенное время. Следовательно, 1 Вт — расход 1 джоуля (Дж) электрической энергии за 1 секунду. Иными словами, киловаттный чайник потребляет 1000 Дж электрической энергии за единицу времени. Для удобства выполнения расчетов используются специальные приставки: милливатт (мВт, mwatt), киловатт (кВт или kwatt), мегаватт (МВт, Mwatt), гигаватт (ГВт, Gwatt) и т. д.

Ватт связан следующим равенством с другими величинами: 1 Вт = 1 Дж/с = (1 кг * sqr (м)) / (c * sqr (c)) = 1 Н * м / с = 746 л. с. Последнее значение является электрической лошадиной силой. Численные значения приставок можно найти в технических справочниках, а также в интернете. Например, 1 кВт равен 1000 Вт. Приставка «к» обозначает, что следует число, стоящее перед ней, умножить на 1000. Для того чтобы перевести 1 МВт, следует умножить число на значение приставки: 1 * 1000000 = 1000000 Вт = 1000 кВатт. Если необходимо перевести Вт в кВт, то нужно количество ватт разделить на 1000.

Для учета расхода количества электроэнергии принята единица, которая называется ватт-час (Втч). Величины Втч и Вт отличаются. Ватт — мощность, а Ватт-час расшифровывается, как количество электроэнергии, потребляемое за единицу времени. Очень важно правильно писать и расшифровывать последнюю величину Вт*ч (умножение, а не деление). Разницу между Вт и ВТч возможно определить и расчетным методом. Например, необходимо рассчитать потребление электроэнергии за 30 минут электроприбором мощностью 2,5 кВт. Порядок вычисления следующий:

1. Следует перевести время в часы: 30/60 = 0,5 (ч).
2. Выполнить расчет по формуле: Pч = P * t = 2,5 * 0,5 = 1,25 (киловатт-час пишется — кВт*ч).

Расшифровка результата вычисления значит, что за 30 минут прибор потребит 1,25 кВт*ч или 1250 Вт (1,25 * 1000 = 1250). Если нужно рассчитать количество потребляемой мощности лампой накаливания мощностью в 100 Вт за 20 часов, то нужно подставить значения в формулу: 100 * 20 = 2 кВт*ч.

Таким образом, мощность и количество потребляемой электрической энергии являются различными физическими величинами, которые довольно просто рассчитываются. Вычисления помогают определить количество электроэнергии и помогают в экономии денежных средств.