Сколько в киловатте вольт

Пояснения к формулам перевода кВА в кВт / кВт в кВА

Мощность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю в секунду.

Мощность бывает полная, реактивная и активная.

S – полная мощность измеряется в кВА (килоВольтАмперах)

A – активная мощность измеряется в кВт (килоВаттах)

P – реактивная мощность измеряется в кВар (килоВарах)

Cos «фи» ― это коэффициент мощности, который представляет собой отношение активной мощности к полной мощности, совокупный показатель, говорящий о присутствии в электросети линейных и нелинейных искажений, появляющиеся при подключении нагрузки.

Максимально возможное значение ― единица. 0,9/0,95 ― хороший показатель, 0,8 ― средний (например, электродвигатели), 0,7 ― низкий, 0,6 ― плохой показатель.

S — это геометрическая сумма активной и реактивной мощности, находимая из соотношения: S=P/cos(ф) или S=Q/sin(ф). кВА характеризует полную электрическую мощность.

P — это геометрическая разность полной и реактивной мощности, находимая из соотношения: P=S*cos(ф). кВт характеризует активную потребляемую электрическую мощность.

Киловатт (кВт) — единица измерения мощности, кратная производной единице измерения мощности в системе СИ ватту.

Ватт определяется как мощность, при которой за одну секунду совершается работа или расходуется энергия в один джоуль.

Ватт можно определить также как скорость выполнения работы, при которой поддерживается постоянная скорость тела один метр в секунду, если при этом необходимо преодолевать силу в один ньютон, действующую в направлении, противоположном направлению движения тела. В электромагнетизме один ватт определяется как скорость выполнения работы или преобразования электрической энергии, если ток в один ампер проходит через участок электрической цепи с разностью потенциалов один вольт.

Киловольт-ампер (кВА, кВ·А) — единица измерения полной мощности, кратная вольт-амперу — единице измерения полной электрической мощности в системе СИ и равная произведению действующих значений напряжения и тока.

Вольт-амперы используются только в тех случаях, когда необходимо оценить мощность в цепях переменного тока, в которых вольт-амперы и ватты имеют разное значение. В цепях постоянного тока мощность, выраженная в вольт-амперах, равна активной мощности в ваттах. В этом конвертере выполняется преобразование для цепей постоянного тока.

Для некоторых устройств, в частности, для блоков бесперебойного питания (UPS), максимальная мощность указывается как в ваттах, так и в вольт-амперах.

Причины для выполнения перевода

Мощность и сила тока — ключевые характеристики, необходимые для грамотного подбора защитных устройств для оборудования, питающегося электроэнергией. Защита нужна для предотвращения оплавления изоляции проводки и поломки агрегатов.

Понятно, что контуру освещения, электроплите и кофе-машине нужны устройства с разной степенью защиты от КЗ и перегрева. Для их питания требуется разная нагрузка. У кабелей, подающих ток к приборам, сечение тоже будет различным, т.е. способным обеспечить конкретный вид оборудования током требующейся им силы.

Каждое защитное устройство обязано срабатывать в момент скачка напряжения, опасного для защищаемого типа техники или группы технических устройств. Значит, подбирать УЗО и автоматы следует так, чтобы во время угрозы для маломощного прибора не отключалась полностью сеть, а только ветка, для которой этот скачек является критичным.

На корпусах предложенных торговой сетью автоматических выключателей проставлена цифра, обозначающая величину предельно допустимого тока. Естественно, указана она в Амперах.

А вот на электроприборах, которые обязаны защищать эти автоматы, обозначена потребляемая ими мощность. Тут и возникает необходимость в переводе. Несмотря на то, что разбираемые нами единицы принадлежат разным токовым характеристикам, связь между ними прямая и довольно тесная.

Чтобы определить, какой прибор и в каком месте можно эксплуатировать с соблюдением правил безопасности, нужно уметь правильно интегрировать амперы в киловатты

Напряжением именуют разность потенциалов, проще говоря, работу, вложенную в перемещение заряда от одной точки к другой. Выражается оно в Вольтах. Потенциал – это и есть энергия в каждой из точек, в которой находится/находился заряд.

Под силой тока подразумевается число Ампер, проходящих по проводнику в конкретную единицу времени. Суть мощности заключается в отражении скорости, с которой происходило перемещение заряда.

Мощность обозначают в Ваттах и Киловаттах. Ясно, что второй вариант используется, когда слишком внушительную четырех- или пятизначную цифру нужно сократить для простоты восприятия. Для этого ее значение просто делят на тысячу, а остаток округляют как обычно в большую сторону.

Для питания мощного оборудования нужна более высокая скорость потока энергии. Предельно допустимое напряжение для него больше, чем для маломощной техники. У подбираемых для него автоматов предел срабатывания должен быть выше. Следовательно, точный подбор по нагрузке с грамотно выполненным переводом единиц просто необходим.

Правила проведения перевода

Часто изучая инструкцию, прилагаемую к некоторым приборам, можно увидеть обозначение мощности в вольт-амперах. Специалисты знают разницу между ваттами (Вт) и вольт-амперами (ВА), но практически эти величины обозначают одно и то же, поэтому преобразовывать здесь ничего не нужно. А вот кВт/час и киловатты — понятия разные и путать их нельзя ни в коем случае.

Чтобы продемонстрировать, как выразить электрическую мощность через ток, нужно воспользоваться следующими инструментами:

  • тестером;
  • токоизмерительными клещами;
  • электротехническим справочником;
  • калькулятором.

При перерасчете ампер в кВт используют следующий алгоритм:

  1. Берут тестер напряжения и измеряют напряжение в электроцепи.
  2. Используя токоизмерительные ключи, замеряют силу тока.
  3. Производят перерасчет, используя формулу для постоянного напряжения в сети или переменного.

В результате мощность получают в ваттах. Чтобы преобразить их в киловатты, делят получившееся на 1000.

У нас на сайте также есть материал о правилах перевода Амперов в Ватты. Чтобы с ним ознакомиться, переходите, пожалуйста, по .

Однофазная электрическая цепь

На однофазную цепь (220 В) рассчитано большинство бытовых приборов. Нагрузка здесь измеряется в киловаттах, а маркировка АВ содержит амперы.

Чтобы не заниматься вычислениями, при выборе автомата можно воспользоваться ампер-ватт таблицей. Здесь уже есть готовые параметры, полученные путем выполнения перевода при соблюдении всех правил

Ключевым при переводе в этом случае является закон Ома, который гласит, что P, т.е. мощность, равна I (силе тока) умноженной на U (напряжение). Подробнее о расчете мощности, силы тока и напряжения, а также о взаимосвязи этих величин мы говорили в этой статье.

Отсюда вытекает:

кВт = (1А х 1 В) / 1 0ᶾ

А как же это выглядит на практике? Чтобы разобраться, рассмотрим конкретный пример.

Допустим, автоматический предохранитель на счетчике старого типа рассчитан на 16 А. С целью определения мощности приборов, которые можно безболезненно включить в сеть одновременно, нужно осуществить перевод ампер в киловатты с применением вышеприведенной формулы.

Получим:

220 х 16 х 1 = 3520 Вт = 3,5КВт

Как для постоянного, так и переменного тока применяется одна формула перевода, но справедлива она только для активных потребителей, таких как нагреватели лампы накаливания. При емкостной нагрузке обязательно возникает сдвиг фаз между током и напряжением.

Это и есть коэффициент мощности или cos φ. Тогда как при наличии только активной нагрузки этот параметр принимают за единицу, то при реактивной нагрузке его нужно принимать во внимание.

Если нагрузка смешанная, значение параметра колеблется в диапазоне 0,85. Чем меньше приходится на реактивную составляющую мощности, тем незначительней потери и тем выше коэффициент мощности. По этой причине последний параметр стремятся повысить. Обычно производители указывают значение коэффициента мощности на этикетке.

Трехфазная электрическая цепь

В случае переменного тока в трехфазной сети берут значение электрического тока одной фазы, затем умножают на напряжение этой же фазы. То, что получили, умножают на косинус фи.

Подключение потребителей может быть выполнено в одном из двух вариантов — звездой и треугольником. В первом случае это 4 провода, из которых 3 являются фазными, а один — нулевым. Во втором применяют три провода

После подсчета напряжения во всех фазах, полученные данные складывают. Сумма, полученная в результате этих действий, является мощностью электроустановки, подсоединенной к трехфазной сети.

Основные формулы имеют следующий вид:

Ватт = √3 Ампер х Вольт или P = √3 х U х I

Ампер = √3 х Вольт либо I= P/√3 х U

Следует иметь понятие о разнице между напряжением фазным и линейным, а также между токами линейными и фазными. Перевод ампер в киловатты в любом случае выполняют по одной и той же формуле. Исключение — соединение треугольником при расчете нагрузок, подключенных индивидуально.

На корпусах или упаковке последних моделей электроприборов указана и сила тока, и мощность. Обладая этими данными, можно считать вопрос, как быстро перевести амперы в киловатты, решенным.

Специалисты применяют для цепей с переменным током конфиденциальное правило: силу тока делят на два, если нужно примерно вычислить мощность в процессе подбора пускорегулирующей аппаратуры. Также поступают и при расчете диаметра проводников для таких цепей.

Примеры перевода ампер в киловатты

Преобразование ампер в киловатты — довольно простая математическая операция.

Бывает так, что на этикетке электроприбора присутствует значение мощности в кВт. В этом случае придется киловатты переводить в амперы. При этом I = P : U = 1000 : 220 = 4,54 А. Справедливо и обратное — P = I х U = 1 х 220 = 220 Вт = 0,22 кВт

Существует также много онлайн – программ, где нужно всего-навсего ввести известные параметры и нажать соответствующую кнопку.

Пример №1 — перевод А в кВт в однофазной сети 220В

Перед нами стоит задача: определить предельную мощность, допустимую для автоматического выключателя однополюсного с номинальным током 25 А.

Применим формулу:

P = U х I

Подставив значения, которые известны, получим: P = 220 В х 25 А = 5 500 Вт = 5,5 кВт.

Это обозначает, что к этому автомату могут быть подключены потребители, общая мощность которых не выходит за пределы 5,5 кВт.

По такой же схеме можно решить вопрос подбора сечения провода для электрочайника, потребляющего 2 кВт.

В этом случае I = P : U= 2000 : 220 = 9 А.

Это совсем маленькое значение. Нужно серьезно подойти к выбору сечения провода и материалу. Если отдать предпочтение алюминиевому, он выдержит только слабые нагрузки, медный с такого же диаметра будет мощнее в два раза.

Подробнее о выборе нужного сечения провода для устройства домашней проводки, а также правила вычисления сечения кабеля по мощности и по диаметру мы разбирали в следующих статьях:

  • Сечение провода для домашней проводки: как правильно произвести расчет
  • Расчёт сечения кабеля по мощности и току: как правильно рассчитать проводку
  • Как определить сечение провода по диаметру и наоборот: готовые таблицы и расчетные формулы

Пример №2 — обратный перевод в однофазной сети

Усложним задачу — продемонстрируем процесс перевода киловатт в амперы. Имеем какое-то число потребителей.

Среди них:

  • четыре лампы накаливания каждая по 100 Вт;
  • один обогреватель мощностью 3 кВт;
  • один ПК мощностью 0,5 кВт.

Определению суммарной мощности предшествует приведение величин всех потребителей к одному показателю, точнее — киловатты следует перевести в ватты.

Розетки, АВ в своей маркировке содержат амперы. Для непосвященного человека сложно понять, отвечает ли нагрузка по факту расчетной, а без этого невозможно правильно выбрать предохранитель

Мощность обогревателя равна 3 кВт х 1000 = 3000 Вт. Мощность компьютера — 0,5 кВт х 1000 = 500 Вт. Лампы — 100 Вт х 4 шт. = 400 Вт.

Тогда обобщенная мощность: 400 Вт + 3000 Вт + 500 Вт = 3 900 Вт или 3,9 кВт.

Такой мощности соответствует сила тока I = P : U = 3900Вт : 220В = 17,7 А.

Из этого вытекает, что приобрести следует автомат, рассчитанный на номинальный ток не меньше, чем 17,7 А.

Наиболее соответствующим нагрузке мощностью 2,9 кВт является автомат стандартный однофазный 20 А.

Пример №3 — перевод ампер в кВт в трехфазной сети

Алгоритм перевода ампер в киловатты и в обратном направлении в трехфазной сети отличается от сети однофазной только формулой. Допустим, нужно высчитать, какую же наибольшую мощность выдержит АВ, номинальный ток которого 40 А.

В формулу подставляют известные данные и получают:

P = √3 х 380 В х 40 А = 26 296 Вт = 26,3кВт

Трехфазный АБ на 40 А гарантировано выдержит нагрузку 26,3 кВт.

Пример №4 — обратный перевод в трехфазной сети

Если мощность потребителя, подключаемого к трехфазной сети, известна, ток автомата вычислить легко. Допустим, имеется трехфазный потребитель мощностью 13,2 кВт.

В ваттах это будет: 13,2 кт х 1000 = 13 200 Вт

Далее, сила тока: I = 13200Вт : (√3 х 380) = 20,0 А

Получается, что этому электропотребителю нужен автомат номиналом 20 А.

Для однофазных аппаратов существует следующее правило: один киловатт соответствует 4,54 А. Один ампер — это 0,22 кВт или 220 В. Это утверждение — прямой результат, вытекающий из формул для напряжения 220 В.

Различия «кВА» и «кВт»

Зачастую, в прайсах различных производителей электрическая мощность оборудования указывается не в привычных киловаттах (кВт), а в «загадочных» кВА (киловольт-амперах). Как же понять потребителю сколько «кВА» ему нужно?

Существует понятие активной (измеряется в кВт) и полной мощности (измеряется в кВА).

Полная мощность переменного тока есть произведение действующего значения силы тока в цепи и действующего значения напряжения на её концах. Полную мощность есть смысл назвать «кажущейся»,так как эта мощность может не вся участвовать в совершении работы. Полная мощность — это мощность передаваемая источником, при этом часть её преобразуется в тепло или совершает работу (активная мощность), другая часть передаётся электромагнитным полям цепи — эта составляющая учитывается введением т.н. реактивной мощности.

Полная и активная мощность — разные физические величины, имеющие размерность мощности. Для того, чтобы на маркировках различных электроприборов или в технической документации не требовалось лишний раз указывать, о какой мощности идёт речь, и при этом не спутать эти физические величины, в качестве единицы измерения полной мощности используют вольт-ампер вместо ватта.

Если рассматривать практическое значение полной мощности, то это величина, описывающая нагрузки, реально налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи, генераторные установки…), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Отношение активной мощности к полной мощности цепи называется коэффициентом мощности.

Коэффициент мощности (cos фи) есть безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент мощности показывает, насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига.

Значения коэффициента мощности:

идеальный показатель

хорошее значение

удовлетворительное значение

плохое значение

Большинство производителей определяют потребляемую мощность своего оборудования в Ваттах.

В случае, если потребитель не имеет реактивной мощности (нагревательные приборы – такие как чайник, кипятильник, лампа накаливания, ТЭН), информация о коэффициенте мощности неактуальна, в виду того, что он равен единице. То есть в таком случае полная мощность, потребляемая прибором и необходимая для его эксплуатации, равна активной мощности в Ваттах.

P = I*U*Сos (fi) →

P = I*U*1 →

P=I*U

Пример: В паспорте электрического чайника указана потребляемая мощность – 2 кВт. Это значит, что и полная мощность, необходимая для успешного функционирования прибора, составит 2 кВА.

Если же потребителем является прибор, имеющий в своем составе реактивное сопротивление (емкость, индуктивность), в технических данных всегда указывается мощность в Ваттах и значение коэффициента мощности для данного прибора. Это значение определяется параметрами самого прибора, а конкретно – соотношением его активных и реактивных сопротивлений.

Пример: В техническом паспорте перфоратора указана потребляемая мощность – 5 кВт и коэффициент мощности (Сos(fi)) – 0.85. Это значит, что полная мощность, необходимая для его работы, составит

Pполн.= Pакт./Cos(fi)

Pполн.= 5/0.85= 5,89 кВА

При выборе генераторной установки часто возникает резонный вопрос – «Сколько же мощности она все-таки сможет выдать?». Это обусловлено тем, что в характеристиках генераторных установок указывается полная мощность в кВА. Ответом на этот вопрос и служит данная статья.

Пример: Генераторная установка мощностью 100 кВА. Если потребители будут иметь только активное сопротивление, то кВА=кВт. Если также будет присутствовать и реактивная составляющая, то надо учитывать коэффициент мощности нагрузки.

Именно поэтому в характеристиках генераторных установок указывается полная мощность в кВА. А уж как Вы ее будете использовать – решать только Вам.

мегавольт-ампер

Смотреть что такое «мегавольт-ампер» в других словарях:

  • Вольт-ампер — (обозначается В·А или V·A) единица измерения электрической мощности в системе Международной системе единиц (СИ), эквивалентная ватту (Вт). Используется в качестве единицы измерения величины полной мощности переменного тока. Полная мощность… … Википедия

  • МВА — Межотраслевая внешнеэкономическая ассоциация организация, фин. Словарь: С. Фадеев. Словарь сокращений современного русского языка. С. Пб.: Политехника, 1997. 527 с. МВА Межобластная внешнеэкономическая ассоциация организация, фин. Словарь: С.… … Словарь сокращений и аббревиатур

  • Единая национальная (общероссийская) электрическая сеть — комплекс электрических сетей и иных объектов электросетевого хозяйства, обеспечивающих устойчивое снабжение электрической энергией потребителей, функционирование оптового рынка, а также параллельную работу российской электроэнергетической системы … Википедия

  • МВ · А — мегавольт ампер ед. изм … Словарь сокращений и аббревиатур

  • МВАр — мегавар мегавольт ампер реактивный ед. изм … Словарь сокращений и аббревиатур

  • мегавар — МВАр мегавар мегавольт ампер реактивный ед. изм … Словарь сокращений и аббревиатур

  • ТРАНСФОРМАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ — статическое (без движущихся частей) электромагнитное устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток др. напряжения той же частоты. Принцип его действия основан на явлении взаимной индукции (см. (1)).… … Большая политехническая энциклопедия

  • единица — Один предмет, зерно, штука, экземпляр, пример, голова, душа, лицо, индивид (индивидуум), неделимое, особь, особа, персона, монада. Раскинь, почем на брата придется. Ср … Словарь синонимов

  • Вольт — У этого термина существуют и другие значения, см. Вольт (значения). Вольт (русское обозначение: В; международное: V) в Международной системе единиц (СИ) единица измерения электрического потенциала, разности потенциалов, электрического… … Википедия

  • Вольт (единица измерения) — Вольт (обозначение: В (рус.), V (лат.)) единица измерения электрического напряжения в системе СИ. Вольт равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт. Единица названа в честь… … Википедия

  • Киловольт — Вольт (обозначение: В (рус.), V (лат.)) единица измерения электрического напряжения в системе СИ. Вольт равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт. Единица названа в честь… … Википедия

>Конвертер величин

Общие сведения

Поднимаясь в гору, мы совершаем работу против силы притяжения

Поскольку мы живём в эпоху электричества, многим нам с детства знакомо понятие электрического напряжения: ведь мы порой, исследуя окружающую действительность, получали от него немалый шок, засунув тайком от родителей пару пальцев в розетку питания электрических устройств. Поскольку вы читаете эту статью, ничего особо страшного с вами не произошло — трудно жить в эпоху электричества и не познакомится с ним накоротке. С понятием электрического потенциала дело обстоит несколько сложнее.

Будучи математической абстракцией, электрический потенциал лучше всего по аналогии описывается действием гравитации — математические формулы абсолютно схожи, за исключением того, не существуют отрицательные гравитационные заряды, так как масса всегда положительная и в то же время электрические заряды бывают как положительными, так и отрицательными; электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться. В результате же действия гравитационных сил тела могут только притягиваться, но не могут отталкиваться. Если бы мы смогли разобраться с отрицательной массой, мы бы овладели антигравитацией.

Но стоит только оттолкнуться…

Понятие электрического потенциала играет важную роль в описании явлений, связанных с электричеством. Вкратце понятие электрического потенциала описывает взаимодействие различных по знаку или одинаковых по знаку зарядов или групп таких зарядов.

Из школьного курса физики и из повседневного опыта, мы знаем, что поднимаясь в гору, мы преодолеваем силу притяжения Земли и, тем самым, совершаем работу против сил притяжения, действующих в потенциальном гравитационном поле. Поскольку мы обладаем некоторой массой, Земля старается понизить наш потенциал — стащить нас вниз, что мы с удовольствием позволяем ей, стремительно катаясь на горных лыжах и сноубордах. Аналогично, электрическое потенциальное поле старается сблизить разноимённые заряды и оттолкнуть одноимённые.

Отсюда следует вывод, что каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, приблизившись как можно ближе к мощному источнику электрического поля противоположного знака, если никакие силы этому не препятствуют. В случае одноимённых зарядов каждое электрически заряженное тело старается понизить свой потенциал, удалившись как можно дальше от мощного источника электрического поля одинакового знака, если никакие силы этому не препятствуют. А если они препятствуют, то потенциал не меняется — пока вы стоите на ровном месте на вершине горы, сила гравитационного притяжения Земли компенсируется реакцией опоры и вас ничто не тянет вниз, только ваш вес давит на лыжи. Но стоит только оттолкнуться…

Аналогично и поле, создаваемое каким-то зарядом, действует на любой заряд, создавая потенциал для его механического перемещения к себе или от себя в зависимости от знака заряда взаимодействующих тел.

«Сизиф», Тициан, Музей Прадо, Мадрид, Испания

Электрический потенциал

Заряд, внесённый в электрическое поле, обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Для характеристики энергии, запасённой в каждой точке электрического поля, и введено специальное понятие — электрический потенциал. Потенциал электрического поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Возвращаясь к аналогии с гравитационным полем, можно обнаружить, что понятие электрического потенциала сродни понятию уровня различных точек земной поверхности. То есть, как мы рассмотрим ниже, работа по поднятию тела над уровнем моря зависит от того, как высоко мы поднимаем это тело, и аналогично, работа по отдалению одного заряда от другого зависит от того, насколько далеко будут эти заряды.

Представим себе героя древнегреческого мира Сизифа. За его прегрешения в земной жизни боги приговорили Сизифа выполнять тяжёлую бессмысленную работу в загробной жизни, вкатывая огромный камень на вершину горы. Очевидно, что для подъема камня на половину горы, Сизифу нужно затратить вдвое меньшую работу, чем для подъема камня на вершину. Далее камень, волею богов, скатывался с горы, совершая при этом некоторую работу. Естественно, камень, поднятый на вершину горы высотой Н (уровень Н), при спуске сможет совершить большую работу, чем камень, поднятый на уровень Н/2. Принято считать уровень моря нулевым уровнем, от которого и производится отсчет высоты.

По аналогии, электрический потенциал земной поверхности считается нулевым потенциалом, то есть

ϕEarth = 0

где ϕEarth — обозначение электрического потенциала Земли, являющегося скалярной величиной (ϕ — буква греческого алфавита и читается как «фи»).

Эта величина количественно характеризует способность поля совершить работу (W) по перемещению какого-то заряда (q) из данной точки поля в другую точку:

ϕ = W/q

В системе СИ единицей измерения электрического потенциала является вольт (В).

Посетители Канадского музея науки и техники вращают большое беличье колесо, которое вращает генератор, питающий трансформатор Тесла (на рисунке справа), который, в свою очередь, создает высокое напряжение в несколько десятков тысяч вольт, достаточное для пробоя воздуха

Напряжение

Одно из определений электрического напряжения описывает его как разность электрических потенциалов, что определяется формулой:

V = ϕ1 – ϕ2

Понятие напряжение ввёл немецкий физик Георг Ом в работе 1827 года, в которой предлагалась гидродинамическая модель электрического тока для объяснения открытого им в 1826 г. эмпирического закона Ома:

Трансформатор Тесла в Канадском музее науки и техники

V = I·R,

где V — это разность потенциалов, I — электрический ток, а R — сопротивление.

Другое определение электрического напряжения представляется как отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда.

Для этого определения математическое выражение для напряжения описывается формулой:

V = A / q

Напряжение, как и электрический потенциал, измеряется в вольтах (В) и его десятичных кратных и дольных единицах — микровольтах (миллионная доля вольта, мкВ), милливольтах (тысячная доля вольта, мВ), киловольтах (тысячах вольт, кВ) и мегавольтах (миллионах вольт, МВ).

Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл. Размерность напряжения в системе СИ определяется как

В = кг•м²/(А•с³)

Напряжение может создаваться различными источниками: биологическими объектами, техническими устройствами и даже процессами, происходящими в атмосфере.

Боковая линия акулы

Элементарной ячейкой любого биологического объекта является клетка, которая с точки зрения электричества представляет собой электрохимический генератор малого напряжения. Некоторые органы живых существ, вроде сердца, являющихся совокупностью клеток, вырабатывают более высокое напряжение. Любопытно, что самые совершенные хищники наших морей и океанов — акулы различных видов — обладают сверхчувствительным датчиком напряжения, называемым органом боковой линии, и позволяющим им безошибочно обнаруживать свою добычу по биению сердца. Отдельно, пожалуй, стоит упомянуть об электрических скатах и угрях, выработавших в процессе эволюции для поражения добычи и отражения нападения на себя способность создавать напряжение свыше 1000 В!

Хотя люди генерировали электричество, и, тем самым, создавали разность потенциалов (напряжение) трением кусочка янтаря о шерсть с давних времён, исторически первым техническим генератором напряжения явился гальванический элемент. Он был изобретён итальянским учёным и врачом Луиджи Гальвани, который обнаружил явление возникновения разности потенциалов при контакте разных видов металла и электролита. Дальнейшим развитием этой идеи занимался другой итальянский физик Алессандро Вольта. Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока. Соединив несколько таких источников последовательно, он создал химическую батарею, так называемый «Вольтов столб», благодаря которой стало возможным получать электричество с помощью химических реакций.

Вольтов столб — копия, сделанная электриком из Музея Алессандро Вольта в Комо, Италия. Канадский музей науки и техники в Оттаве

Из-за заслуг в создания надёжных электрохимических источников напряжения, сослуживший немалую роль в деле дальнейших исследования электрофизических и электрохимических явлений, именем Вольта названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.

Среди создателей генераторов напряжения необходимо отметить голландского физика Ван дер Граафа, создавшего генератор высокого напряжения, в основе которого лежит древняя идея разделения зарядов с помощью трения — вспомним янтарь!

Отцами современных генераторов напряжения были два замечательных американских изобретателя — Томас Эдисон и Никола Тесла. Последний был сотрудником в фирме Эдисона, но два гения электротехники разошлись во взглядах на способы генерации электрической энергии. В результате последующей патентной войны выиграло всё человечество — обратимые машины Эдисона нашли свою нишу в виде генераторов и двигателей постоянного тока, исчисляющихся миллиардами устройств — достаточно просто заглянуть под капот своего автомобиля или просто нажать кнопку стеклоподъёмника или включить блендер; а способы создания переменного напряжения в виде генераторов переменного тока, устройств для его преобразования в виде трансформаторов напряжения и линий передач на большие расстояния и бесчисленных устройств для его применения по праву принадлежат Тесле. Их число ничуть не уступает числу устройств Эдисона — на принципах Тесла работают вентиляторы, холодильники, кондиционеры и пылесосы, и масса других полезных устройств, описание которых выходит за рамки настоящей статьи.

Этот находящийся в Канадском музее науки и техники в Оттаве мотор-генератор, изготовленный компанией Westinghouse в 1904 г., использовался в качестве надежного источника питания для создания магнитного поля возбудителя на гидроэлектростанции в Ниагара-Фоллс, шт. Нью-Йорк. Строительством электростанции руководили Никола Тесла и Джордж Вестингауз

Безусловно, учёными позднее были созданы и другие генераторы напряжения на других принципах, в том числе и на использовании энергии ядерного распада. Они призваны служить источником электрической энергии для космических посланцев человечества в дальний космос.

Но самым мощным источником электрического напряжения на Земле, не считая отдельных научных установок, до сих пор остаются естественные атмосферные процессы.

Ежесекундно на Земле грохочут свыше 2 тысяч гроз, то есть, одновременно работают десятки тысяч естественных генераторов Ван дер Граафа, создавая напряжения в сотни киловольт, разряжаясь током в десятки килоампер в виде молний. Но, как ни удивительно, мощь земных генераторов не идёт ни в какое сравнение с мощью электрических бурь, происходящих на сестре Земли — Венере — не говоря уже об огромных планетах вроде Юпитера и Сатурна.

Измерение напряжения

Измерение величины напряжения играет большую роль в фундаментальных физике и химии, прикладных электротехнике и электрохимии, электронике и медицине и во многих других отраслях науки и техники. Пожалуй, трудно найти отрасли человеческой деятельности, исключая творческие направления вроде архитектуры, музыки или живописи, где с помощью измерения напряжения не осуществлялся бы контроль над происходящими процессами с помощью разного рода датчиков, являющимися по сути дела преобразователями физических величин в напряжение. Хотя стоит заметить, что в наше время и эти виды человеческой деятельности не обходятся без электричества вообще и без напряжения в частности. Художники используют планшеты, в которых измеряется напряжение емкостных датчиков, когда над ними перемещается перо. Композиторы играют на электронных инструментах, в которых измеряется напряжение на датчиках клавиш и в зависимости от него определяется насколько сильно нажата та или иная клавиша. Архитекторы используют AutoCAD и планшеты, в которых тоже измеряется напряжение, которые преобразуется в числовую форму и обрабатывается компьютером.

В кухонном термометре (слева) температура мяса определяется с помощью измерения напряжения на резистивном датчике температуры, через который пропускают небольшой ток. В мультиметре (справа) температура определяется путем измерения напряжения непосредственно на термопаре

Измеряемые величины напряжения могут меняться в широких пределах: от долей микровольта при исследованиях биологических процессов, до сотен вольт в бытовых и промышленных устройствах и приборах и до десятков миллионов вольт в сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Измерение напряжения позволяет нам контролировать состояние отдельных органов человеческого организма при помощи снятия энцефалограмм мозговой деятельности. Электрокардиограммы и эхокардиограммы дают информацию о состоянии сердечной мышцы. При помощи различных промышленных датчиков мы успешно, а, главное, безопасно, контролируем процессы химических производств, порой происходящие при запредельных давлениях и температурах. И даже ядерные процессы атомных станций поддаются контролю с помощью измерения напряжений. С помощью измерения напряжения инженеры контролируют состояние мостов, зданий и сооружений и даже противостоят такой грозной природной силе как землетрясения.

Пульсоксиметр, как и вольтметр, измеряет напряжение на выходе устройства, усиливающего сигнал с фотодиода или фототранзистора. Однако, в отличие от вольтметра, здесь на дисплее мы видим не значение напряжения в вольтах, а процент насыщения гемоглобина кислородом (97%).

Блестящая идея связать различные значения уровней напряжения со значениями состояния единиц информации дало толчок к созданию современных цифровых устройств и технологий. В вычислительной технике низкий уровень напряжения трактуется как логический нуль (0), а высокий уровень напряжения — как логическая единица (1).

По сути дела, все современные устройства вычислительной техники являются в той или иной степени компараторами (измерителями) напряжения, преобразовывая свои входные состояния по определённым алгоритмам в выходные сигналы.

Помимо всего прочего, точные измерения напряжения лежат в основе многих современных стандартов, выполнение которых гарантирует их абсолютное соблюдение и, тем самым, безопасность применения.

Плата памяти, используемая в персональных компьютера, содержит десятки тысяч логических вентилей

Средства измерения напряжения

В ходе изучения и познания окружающего мира, способы и средства измерения напряжения значительно эволюционировали от примитивных органолептических методов — русский учёный Петров срезал часть эпителия на пальцах, чтобы повысить чувствительность к действию электрического тока — до простейших индикаторов напряжения и современных приборов разнообразных конструкций на основе электродинамических и электрических свойств различных веществ.

Вкус электричества. Когда-то, очень давно, если не было вольтметра, мы определяли напряжение языком!

К слову сказать, начинающие радиолюбители легко отличали «рабочую» плоскую батарейку на 4,5 В от «подсевшей» без каких-либо приборов по причине их полного отсутствия, просто лизнув её электроды. Протекавшие при этом электрохимические процессы давали ощущение определённого вкуса и лёгкого жжения. Отдельные выдающиеся личности брались определять таким способом пригодность батареек даже на 9 В, что требовало немалой выдержки и мужества!

Примером простейшего индикатора — пробника сетевого напряжения — может служить обыкновенная лампа накаливания с рабочим напряжением не ниже напряжения сети. В продаже имеются простые пробники напряжения на неоновых лампах и светодиодах, потребляющие малые токи. Осторожно, использование самодельных конструкций может быть опасным для Вашей жизни!

Необходимо отметить, что приборы для измерения напряжения (вольтметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу измеряемого напряжения — это могут быть приборы постоянного или переменного тока. Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого напряжения — оно может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ электротехнических цепей и устройств (слаботочные и силовые).

Различают следующие значения напряжения:

  • мгновенное,
  • амплитудное,
  • среднее,
  • среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение напряжения Ui (см. рисунок) — это значение напряжения в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение напряжения Ua — это наибольшее мгновенное значение напряжения за период. Размах напряжения Up-p — величина, равная разности между наибольшим и наименьшим значениями напряжения за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение напряжения Urms определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений напряжения.

Все стрелочные и цифровые вольтметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях напряжения.

Среднее значение (постоянная составляющая) напряжения — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Средневыпрямленное напряжение определяется как среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период.

Разность между максимальным и минимальным значениями напряжения сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения напряжения используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение напряжения осциллографом

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению напряжений с использованием генератора сигналов, источника постоянного напряжения, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Эксперимент №1

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов нагружен на сопротивление нагрузки R1 в 1 кОм, параллельно сопротивлению подключены измерительные концы осциллографа и мультиметра. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1: Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 герц и амплитудой 4 вольт. На экране осциллографа будем наблюдать изображение, показанное ниже. Отметим, что цена деления масштабной сетки экрана осциллографа по вертикальной оси 2 В. Мультиметр и осциллограф при этом покажут среднеквадратичное значение напряжение 1,36 В.

Опыт 2: Увеличим сигнал от генератора вдвое, размах изображения на осциллографе возрастёт ровно вдвое и мультиметр покажет удвоенное значение напряжения:

Опыт 3: Увеличим частоту генератора в 100 раз (6 кГц), при этом частота сигнала на осциллографе изменится, но размах и среднеквадратичное значение останутся прежними, а показания мультиметра станут неправильными — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра 0—400 Гц:

Опыт 4: Вернёмся к исходной частоте 60 Гц и напряжению генератора сигналов 4 В, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением напряжения, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее напряжение сигнала:

Эксперимент №2

Схема эксперимента №2, аналогична схеме эксперимента 1.

Ручкой изменения напряжения смещения на генераторе сигналов добавим смещение 1 В. На генераторе сигналов установим синусоидальное напряжение с размахом 4 В с частотой 60 Гц — как и в эксперименте №1. Сигнал на осциллографе поднимется на половину большого деления, а мультиметр покажет среднеквадратичное значение 1,33 В. Осциллограф покажет изображение, подобное изображению из опыта 1 эксперимента №1, но поднятое половину большого деления. Мультиметр покажет почти такое же напряжение, как было в опыте 1 эксперимента №1, так как у него закрытый вход, а осциллограф с открытым входом покажет увеличенное действующее значение суммы постоянного и переменного напряжений, которое больше действующего значения напряжения без постоянной составляющей:

Мощность бытовых электроприборов

На бытовых электроприборах обычно указана мощность. Некоторые светильники ограничивают мощность лампочек, которые в них можно использовать, например не более 60 ватт. Это сделано потому, что лампы более высокой мощности выделяют много тепла и светильник с патроном могут быть повреждены. Да и сама лампа при высокой температуре в светильнике прослужит недолго. В основном это проблема с лампами накаливания. Светодиодные, люминесцентные и другие лампы обычно работают с меньшей мощностью при одинаковой яркости и, если они используются в светильниках, предназначенных для ламп накаливания, проблем с мощностью не возникает.

Чем больше мощность электроприбора, тем выше потребление энергии, и стоимости использования прибора. Поэтому производители постоянно улучшают электроприборы и лампы. Световой поток ламп, измеряемый в люменах, зависит от мощности, но также и от вида ламп. Чем больше световой поток лампы, тем ярче выглядит ее свет. Для людей важна именно высокая яркость, а не потребляемая ламой мощность, поэтому в последнее время альтернативы лампам накаливания пользуются все большей популярностью. Ниже приведены примеры видов ламп, их мощности и создаваемый ими световой поток.

  • 450 люменов:
    • Лампа накаливания: 40 ватт
    • Компактная люминесцентная лампа: 9–13 ватт
    • Светодиодная лампа: 4–9 ватт
  • 800 люменов:
  • Люминесцентные лампы мощностью 12 и 7 Вт

    • Лампа накаливания: 60 ватт
    • Компактная люминесцентная лампа: 13–15 ватт
    • Светодиодная лампа: 10–15 ватт
  • 1600 люменов:
    • Лампа накаливания: 100 ватт
    • Компактная люминесцентная лампа: 23–30 ватт
    • Светодиодная лампа: 16–20 ватт

    Из этих примеров очевидно, что при одном и том же создаваемом световом потоке светодиодные лампы потребляют меньше всего электроэнергии и более экономны, по сравнению с лампами накаливания. На момент написания этой статьи (2013 год) цена светодиодных ламп во много раз превышает цену ламп накаливания. Несмотря на это, в некоторых странах запретили или собираются запретить продажу ламп накаливания из-за их высокой мощности.

    Мощность бытовых электроприборов может отличаться в зависимости от производителя, и не всегда одинакова во время работы прибора. Внизу приведены примерные мощности некоторых бытовых приборов.

    Матрица светодиодов 5050. Мощность одного такого светодиода примерно равна 200 миливаттам

    • Бытовые кондиционеры для охлаждения жилого дома, сплит-система: 20–40 киловатт
    • Моноблочные оконные кондиционеры: 1–2 киловатта
    • Духовые шкафы: 2.1–3.6 киловатта
    • Стиральные машины и сушки: 2–3.5 киловатта
    • Посудомоечные машины:1.8–2.3 киловатта
    • Электрические чайники: 1–2 киловатта
    • Микроволновые печи:0.65–1.2 киловатта
    • Холодильники: 0.25–1 киловатт
    • Тостеры: 0.7–0.9 киловатта

    Мощность в спорте

    Оценивать работу с помощью мощности можно не только для машин, но и для людей и животных. Например, мощность, с которой баскетболистка бросает мяч, вычисляется с помощью измерения силы, которую она прикладывает к мячу, расстояния которое пролетел мяч, и времени, в течение которого эта сила была применена. Существуют сайты, позволяющие вычислить работу и мощность во время физических упражнений. Пользователь выбирает вид упражнений, вводит рост, вес, длительность упражнений, после чего программа рассчитывает мощность. Например, согласно одному из таких калькуляторов, мощность человека ростом 170 сантиметров и весом в 70 килограмм, который сделал 50 отжиманий за 10 минут, равна 39.5 ватта. Спортсмены иногда используют устройства для определения мощности, с которой работают мышцы во время физической нагрузки. Такая информация помогает определить, насколько эффективна выбранная ими программа упражнений.

    Динамометры

    Для измерения мощности используют специальные устройства — динамометры. Ими также можно измерять вращающий момент и силу. Динамометры используют в разных отраслях промышленности, от техники до медицины. К примеру, с их помощью можно определить мощность автомобильного двигателя. Для измерения мощности автомобилей используется несколько основных видов динамометров. Для того, чтобы определить мощность двигателя с помощью одних динамометров, необходимо извлечь двигатель из машины и присоединить его к динамометру. В других динамометрах усилие для измерения передается непосредственно с колеса автомобиля. В этом случае двигатель автомобиля через трансмиссию приводит в движение колеса, которые, в свою очередь, вращают валики динамометра, измеряющего мощность двигателя при различных дорожных условиях.

    Этот динамометр измеряет крутящий момент, а также мощность силового агрегата автомобиля

    Динамометры также используют в спорте и в медицине. Самый распространенный вид динамометров для этих целей — изокинетический. Обычно это спортивный тренажер с датчиками, подключенный к компьютеру. Эти датчики измеряют силу и мощность всего тела или отдельных групп мышц. Динамометр можно запрограммировать выдавать сигналы и предупреждения если мощность превысила определенное значение. Это особенно важно людям с травмами во время реабилитационного периода, когда необходимо не перегружать организм.

    Согласно некоторым положениям теории спорта, наибольшее спортивное развитие происходит при определенной нагрузке, индивидуальной для каждого спортсмена. Если нагрузка недостаточно тяжелая, спортсмен привыкает к ней и не развивает свои способности. Если, наоборот, она слишком тяжелая, то результаты ухудшаются из-за перегрузки организма. Физическая нагрузка во время некоторых упражнений, таких как велосипедный спорт или плавание, зависит от многих факторов окружающей среды, таких как состояние дороги или ветер. Такую нагрузку трудно измерить, однако можно выяснить с какой мощностью организм противодействует этой нагрузке, после чего изменять схему упражнений, в зависимости от желаемой нагрузки.

    Литература

    Автор статьи: Kateryna Yuri

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *