Электрический заряд

Приборы для измерения мощности

В зависимости от целевого назначения и диапазона частот ваттметры классифицируют на несколько видов:

низкочастотные (и постоянного тока);
радиочастотные;
оптические.

Ваттметры радиодиапазона, исходя из назначения, бывают двух типов:

проходящей мощности, которые включают в разрыв линии передачи;
поглощаемой мощности, предназначенные для подключения к концу линии и играющие роль согласованной нагрузки.

Согласно методу функционального преобразования измерительной информации и ее отображения для оператора, ваттметры подразделяют на следующие группы:

аналоговые (показывающие и самопишущие);
цифровые.

Производные единицы мощности и работы

Базовой мощностной измерительной единицей в международной системе СИ является ватт (Вт). Один ватт – это такая мощность, когда в течение одной секунды ток выполняет работу, равную одному джоулю. Посредством иных измерительных единиц ватт может быть выражен так:

1 Вт = 1 м2 *1кг/1с3 (квадратный метр, килограмм и кубическая секунда, соответственно);
1 Вт = 1 Н *1м/с (ньютон и метр в секунду);
1 Вт = 1 Дж/1 с (джоуль и секунда) – прямо следует из приведенного определения единицы.

Также ватту эквивалентна российская внесистемная единица – вольт-ампер (В*А).

Кратными производными мощностными величинами являются:

гектоватт – он равен одной сотне ватт;
киловатт – равен тысяче ватт.

Такие крупные единицы используют при конструировании железнодорожных электропоездов и производстве электрической энергии. Есть и мелкие дольные единицы, например, микроватт (1 мкВт = 10-6 Вт), они применяются при изготовлении электрокардиографов и электроэнцефалографов. Еще более мелкие единицы – пиковатты и нановатты, их применяют в радиоэлектронной промышленности. Один нановатт (нВт) равен 10-9 Вт, а один пиковатт (пВт) – 10-12 Вт.

Еще одной внесистемной величиной является лошадиная сила (л.с.), равная 735,5 ватт. В российской промышленности она официально вышла из употребления, но фактически все еще имеет хождение в тех сферах, где применяются двигатели внутреннего сгорания.

Соотношение между джоулем и киловатт-часом может быть выражено через промежуточные единицы:

джоуль эквивалентен одной ватт-секунде;
60 ватт-секунд составляют 1 ватт-минуту, которая, в свою очередь, равна 60 джоулям;
60 ватт-минут равны 3600 джоулям или 1 ватт-часу;
сотня ватт-часов равна одному гектоватт-часу (360000 джоулей);
тысяча ватт-часов составляет один киловатт-час (3600000 джоулей).

Проблема правильной эксплуатации бытовой электрической сети

С конструктивной точки зрения бытовая электрическая сеть отработана до высокой степени совершенства: ее нормальная эксплуатация не требует специальных знаний.

Сеть рассчитана на определенные условия эксплуатации, нарушение которых приводит к полному или частичному отказу, а в тяжелых случаях – к возникновению пожара.

Условие правильной эксплуатации – отсутствие перегрузки.

При этом нагрузочная способность розеток и потребление подключаемой к ним техники измеряется различными единицами:

для розеток это максимально допустимый переменный ток (6 А у традиционных советских розеток старого жилого фонда, 10 или даже 16 А у розеток европейского стиля);
подключаемое оборудование характеризуются мощностью, которая измеряется в Ваттах (для мощных устройств вместо Ватт указываются более крупные единицы: киловатты (1 кВт = 1000 Вт), что позволяет не путаться в многочисленных нулях).

Отсюда возникает необходимость:

определения связи мощности и тока;
нахождения мощности отдельного электрического прибора.

Связь между Ваттами и Амперами проста и следует прямо из приведенного выше определения Ватта. Задача упрощается тем, что напряжение исправной бытовой сети всегда одинаково (220 или 230 В). Отсюда по току всегда находится мощность.

Как определить?

Для решения задачи нахождения мощности можно воспользоваться различными способами. Все они доступны для применения даже при знаниях в области физики и электротехники на уровне школьной программы.

Чаще мощность находят через определение тока, иногда можно обойтись без промежуточных процедур и определит ее сразу.

Смотрим в техпаспорт

Обычно потребляемая мощность указывается в паспорте или описании устройства и дублируется на фирменной табличке-шильдике. Последняя находится на задней стенке корпуса или его основании.

В случае отсутствия описания этот параметр можно узнать по интернету, для чего достаточно воспользоваться поиском по названию устройства.

Указываемая производителем техники мощность относится к пиковой и потребляется от сети только при полной нагрузки, что встречается достаточно редко. Образовавшаяся разница рассматривается как запас. На нормативном уровне этот запас определяют через коэффициент мощности.

Закон Ома в помощь

Мощность большинства бытовых электрических устройств можно довольно точно оценить экспериментально-расчетным путем с привлечением известного еще со средней школы закона Ома. Этот эмпирический закон связывает между собой напряжение, ток и сопротивление R нагрузки как:

P = U2/R. U = 230 В, а сопротивление измеряется тестером. Далее следует простой расчет по формуле P = 48 400/R Вт.

Например, при R = 200 Ом получаем мощность Р = 240 Вт.

Метод не учитывает так называемое реактивное сопротивление прибора, которое создается в первую очередь входными трансформаторами и дросселями, и поэтому получаемая оценка дает некоторое завышение.

Используем электросчетчик

При определении мощности по счетчику можно поступить двумя различными способами. В обоих случаях от бытовой сети должен питаться только тестируемый прибор. Все без исключения остальные потребители должны быть отключены.

При первом подходе для замера мощности привлекается оптический индикатор счетчика, интенсивность вспышек которого пропорциональна потребляемой мощности. Коэффициент пропорциональности указан на лицевой панели в единицах imp/kWh или имп/кВтч, рисунок 1, где imp – количество импульсов (вспышек индикатора) на один киловатт час.

Рисунок 1. Лицевая панель бытового счетчика электроэнергии с оптическим индикатором

После включения исследуемого устройства необходимо начать считать вспышки индикатора на протяжении 15 или 20 минут. Затем полученное значение умножается на 3 или на 4 (при 20- или 15-минутном интервале замера, соответственно) и делится на коэффициент с лицевой панели. Результат выкладки дает мощность прибора в кВт, который в ряде случаев умножением на 1000 удобно перевести в Ватты.

При втором подходе также используется 15- или 20-минутный интервал времени, но расход электроэнергии определяется уже по цифровой шкале. Например, при разности показаний за 20 минут 0,2 кВт×час мощность агрегата составляет 0,2 × 3 = 0,6 кВт или 600 Вт.

Ваттметром

Современный бытовой измеритель мощности или ваттметр удобен для использования, так как:

включается непосредственно в разрыв цепи, для чего снабжен вилкой и розеткой, см. рисунок 2;
оборудован легко читаемым цифровым индикатором и снабжен внутренними цепями автоматической настройки, что исключает ошибки в показаниях;
отличается хорошими массогабаритными показателями.

Прибор готов к работе немедленно после включения.

Рис. 2. Цифровой бытовой ваттметр

Единственный его недостаток – узкая специализация, поэтому этот прибор редко встречается в домашнем хозяйстве.

Работа в термодинамике

В чем измеряется работа сил в термодинамике? Термодинамика рассматривает процессы преобразования системы, в результате которых меняется объём. При этом внутреннее изменение энергии тела есть работа. Лучше всего разобрать это на примере воздействия газа на поршень. Пусть газ давит на поверхность поршня с силой F→’. Она, согласно 3-му закону Ньютона, направлена в противоположную сторону той силе, с которой поршень воздействует на газ. Это значит, F→’ = – F→.

Под давлением газа (p) поршень начинает совершать перемещение ∆h. В случае, если оно мало, то можно говорить о том, что p = const. Тогда работа будет равна A’ = F’*∆h. Можно подставить сюда значение F’= p*S, где S – площадь поверхности, на которую давит газ. После этого выражение примет вид:

A’ = p*S*∆h = p*∆V,

где ∆V – изменение объёма.

Важно! Работа положительная, если газ расширяется. Это обусловлено тем, что поршень движется в ту же сторону, куда направлена F→’. При сжимании газа его работа имеет отрицательное значение, потому как поршень перемещается в противоположную от F→’ сторону

При сжимании газа его работа имеет отрицательное значение, потому как поршень перемещается в противоположную от F→’ сторону.

Работа в термодинамике

По какой формуле вычисляется

В следующих пунктах рассмотрены подробно типичные ситуации (подключаемые устройства):

источник постоянного напряжения (светодиоды);
~220V, одна фаза (кухонная вытяжка);
~380V, три фазы (станок).

Расчет силы тока по мощности и напряжению в сети постоянного тока

С помощью изученных принципов можно выяснить, как посчитать мощность (пример):

к источнику 5 V последовательно подключают несколько светодиодов;
измеряют ток в цепи с помощью мультиметра (0,85 А);
для определения количества ватт формула «P = I * U» поможет узнать результат: 5 * 0,85 = 4,25 Вт.

Как узнать мощность однофазной нагрузки

Без поправочных коэффициентов можно применить аналогичный алгоритм при подключении лампочки накаливания. Однако в рассматриваемом примере (вытяжка) вычисляют мощность переменного тока по формуле с учетом индуктивных параметров электродвигателя. В этом случае применяют специальный корректирующий множитель – cosϕ.

Треугольник мощностей

Как определить мощность, показывает следующий алгоритм действий:

берут из сопроводительной документации значение cosϕ (например, 0,75);
эти же данные производители указывают на типовых шильдиках;
измеряют ток (1,25 А);
напряжение известно – 220 B;
чтобы определить мощность тока, формула дополняется соответствующим множителем:

Pакт = 1,25 * 220 *0,75 = 206,25 Вт.

Как найти мощность тока в трехфазной сети

В этих сетях электричество поступает к потребителям по разным цепям. Вместо «фазного» в данном случае применяют понятие «линейного» напряжения, которое измеряется между отдельными проводниками (Uлин=380В). Чтобы рассчитать мощность корректно, применяют дополнительный множитель (√3 = 1,7321).

Средняя P в активной нагрузке

Зная мощность переменного тока (350 Вт), после простого преобразования базовой формулы можно вычислить:

I = P/ (U * √3 * cosϕ) = 350 / (380 * 1,7321 * 0,75) = 350/ 493,6485 = 0,7 А.

единица, в чём будет измеряться мощность, электрический заряд и теория определения

Сила тока представляет собой движение заряженных частиц в определённом направлении, во взятом проводнике. Многих физиков в прошлом волновал вопрос: в чём измеряется ток и как измерить то, что невидимо и неосязаемо. Но благодаря ряду открытий ситуация стала проясняться. Для того чтобы появилось движение заряженных частиц, нужно воздействие электрического поля.

В то же время заряженные частицы появляются постоянно, благодаря плотному контакту в любых веществах:

проводники
полупроводники
диэлектрики.

Заряженные частицы способны совершать свободные движения в разных направлениях. Материалы, где свободно перемещаются заряженные частицы, называют проводниками: металл, растворы соли.

Материалы, где электрические частицы не могут перемещаться, называют диэлектриками: газ, кварц, дерево.

Материалы, которые имеют не только электронную, но и «дырочную» проводимость, которая зависит от многих внешних факторов (свет, температура, магнитные и электрические поля) называют полупроводниками: селен, кремний, германий.

Единицы измерения

Ток подразделяют на несколько разновидностей. Основные из них представлены таким образом:

Постоянный -значение и направление не меняются во времени;
Синусоидальный — величина меняется по синусоидальному закону;
Высокочастотный — частота начинается с десятки килогерц;
Периодический — значения которого повторяются во времени с одинаковой периодичностью;

Пульсирующий — изменяющий периодически значение во времени, отличное от нуля.

Учёные часто задавались вопросом, в каких единицах измеряется сила тока. Для измерения, пользуются физической величиной. Эта физическая величина равна отношению значения заряда Q, протёкшего за какое-то время через поперечное сечение проводника, к значению этого временного периода: I=Q/t. И измеряется в амперах и показывает обозначение силы тока: A.

Электрический ток в чём измеряется, в том и рассчитывается — на принципиальных схемах. Такое определение помогает рассчитать блоки питания определённой мощности.

В электрических цепях показатели рассчитывают по закону Ома, и именно это отвечает на вопрос чему равен ток. Сила I на определённом участке цепи прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на него и обратно пропорциональна сопротивлению R участка цепи: I=U/R.

Разные значения

Если на участке цепи переменный ток, напряжение постоянно изменяется, поэтому если взять средние значения напряжения, то они будут равны нулю, а средняя мощность будет нулю не равна. Для этого стали применять такие понятия:

мгновенные значения;
амплитудные значение ;
действующие значения.

Мгновенные значения -это те, которые имеют место в данный момент времени. Амплитудные значения — самые максимальные. Действующие значения определяются тепловым свойством тока, текущего через сечение проводника, а направление векторной величины совпадает с направлениями перемещения положительных частиц.

Для точных измерений нужны основные параметры: напряжение, мощность, сопротивление, частота.

Измерение мощности

Мощностью называют определённое количество работы, которое совершается за одну секунду времени.

Для измерения мощности была принята единица — ватт .

Следовательно, мощностью в 1 Вт называют силу в 1 А при значении напряжения в 1 В.

Для того чтобы вычислить мощность, нужно силу тока умножить на напряжение .

Если мощность обозначается буквой P, то формула примет вид:

P = I*U.

Мощность вычисляется с помощью сопротивления. Часто бывают известны сила тока и сопротивление цепи, а напряжение, обычно, неизвестно.

Следовательно, воспользовавшись законом Ома :

U=IR

получаем формулу: Р = I2*R

Определение частоты

Передвижение электронов в проводнике в одну сторону, а затем в другую принято называть одним колебанием. За одним колебанием следует другое. При таких колебаниях в проводнике происходит соответствующее колебание магнитного поля.

Время, затраченное на одно колебание, называют периодом и обозначают буквой Т. Период обозначают в секундах.

Одной из важных величин является частота. Она показывает число колебаний в секунду и обозначается буквой f. Название единицы частоты — герц, (Гц) .

Практическое применение

Электрический постоянный ток всегда имеет всегда одно направление, которое называют постоянным. Он широко применяется для питания электронных устройств.

Если ток меняет направление, его называют переменным, и он применяется для передачи энергии по проводам на большие расстояния.

Cтепень точности закона Кулона

Закон Кулона — экспериментально установленный факт. Его справедливость неоднократно подтверждалась всё более точными экспериментами. Одним из направлений таких экспериментов является проверка того, отличается ли показатель степени r в законе от 2. Для поиска этого отличия используется тот факт, что если степень точно равна двум, то поле внутри полости в проводнике отсутствует, какова бы ни была форма полости или проводника.

Эксперименты, проведённые в 1971 г. в США Э. Р. Уильямсом, Д. Е. Фоллером и Г. А. Хиллом, показали, что показатель степени в законе Кулона равен 2 с точностью до .

Для проверки точности закона Кулона на внутриатомных расстояниях У. Ю. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 г. были использованы измерения относительного расположения уровней энергии водорода. Было установлено, что и на расстояниях порядка атомных 10−8 см, показатель степени в законе Кулона отличается от 2 не более чем на 10−9.

Коэффициент в законе Кулона остается постоянным с точностью до 15·10−6.

Поправки к закону Кулона в квантовой электродинамике

На небольших расстояниях (порядка комптоновской длины волны электрона, ≈3.86·10−13 м, где — масса электрона, — постоянная Планка, — скорость света) становятся существенными нелинейные эффекты квантовой электродинамики: на обмен виртуальными фотонами накладывается генерация виртуальных электрон-позитронных (а также мюон-антимюонных и таон-антитаонных) пар, а также уменьшается влияние экранирования (см. перенормировка). Оба эффекта ведут к появлению экспоненциально убывающих членов порядка в выражении для потенциальной энергии взаимодействия зарядов и, как результат, к увеличению силы взаимодействия по сравнению с вычисляемой по закону Кулона. Например, выражение для потенциала точечного заряда в системе СГС, с учётом радиационных поправок первого порядка принимает вид:

где — комптоновская длина волны электрона, — постоянная тонкой структуры и . На расстояниях порядка ~ 10−18 м, где — масса W-бозона, в игру вступают уже электрослабые эффекты.

В сильных внешних электромагнитных полях, составляющих заметную долю от поля пробоя вакуума (порядка ~1018 В/м или ~109 Тл, такие поля наблюдаются, например, вблизи некоторых типов нейтронных звёзд, а именно магнитаров) закон Кулона также нарушается в силу дельбрюковского рассеяния обменных фотонов на фотонах внешнего поля и других, более сложных нелинейных эффектов. Это явление уменьшает кулоновскую силу не только в микро- но и в макромасштабах, в частности, в сильном магнитном поле кулоновский потенциал падает не обратно пропорционально расстоянию, а экспоненциально.

Закон Кулона и поляризация вакуума

Явление поляризации вакуума в квантовой электродинамике заключается в образовании виртуальных электронно-позитронных пар. Облако электронно-позитронных пар экранирует электрический заряд электрона. Экранировка растет с ростом расстояния от электрона, в результате эффективный электрический заряд электрона является убывающей функцией расстояния . Эффективный потенциал, создаваемый электроном с электрическим зарядом , можно описать зависимостью вида . Эффективный заряд зависит от расстояния по логарифмическому закону:

где,

— т. н. постоянная тонкой структуры ≈7.3·10−3;

— т. н. классический радиус электрона ≈2.8·10−13 см.

Эффект Юлинга

Явление отклонения электростатического потенциала точечных зарядов в вакууме от значения закона Кулона известно как эффект Юлинга, который впервые вычислил отклонения от закона Кулона для атома водорода. Эффект Юлинга даёт поправку к лэмбовскому сдвигу 27 мггц.

В сильном электромагнитном поле вблизи сверхтяжелых ядер с зарядом осуществляется перестройка вакуума, аналогичная обычному фазовому переходу. Это приводит к поправкам к закону Кулона.

Применение

При изучении электрического тока было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности, и даже создать новые области, которые без существования электрического тока были бы невозможны. После того, как электрическому току нашли практическое применение, и по той причине, что электрический ток можно получать различными способами, в промышленной сфере возникло новое понятие — электроэнергетика.

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
получения звука,
получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

диагностика — биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии, изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология.
- Электроэнцефалография — метод исследования функционального состояния головного мозга.
- Электрокардиография — методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
- Электрогастрография — метод исследования моторной деятельности желудка.
- Электромиография — метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
Лечение и реанимация: электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезни Паркинсона и эпилепсии, также для электрофореза. Водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях.

Виды мощности, определение и характеристики

По Международной системе единиц (СИ) мощность можно измерить в ватт (Вт). Ватт равен одному джоулю в секунду (Дж/с). В теоретической физике и астрофизике мощность в распространенных случаях обозначают через эрг в секунду (эрг/с). Данная единица измерения является внесистемной. Мощность автомобилей, двигателей локомотивов и судов измеряют в лошадиных силах, что не рекомендовано Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ).

Электрическая мощность

Электрическая мощность является физической величиной, характеристикой скорости, с которой передается или преобразуется электроэнергия.

В процессе исследования сетей переменного тока оперируют не только общефизическим понятием мгновенной мощности, но и используют следующие определения:

активная мощность, соответствует средней величине мгновенной мощности в течение периода времени;
реактивная мощность, соответствующая энергии, которая циркулирует без диссипации от источника к потребителю и в обратном направлении;
полная мощность, определяемая через произведение существующих значений электрического тока и напряжения без учета сдвига фаз.

Гидравлическая мощность

В качестве примера можно рассмотреть насосную установку НП-89Д, которой оснащают Су-24, Ту-134 и Ту-154. Производительность данной модели насоса составляет 55 л/мин (около ,000917м3с) при давлении 210 кгс/см2 (21 МПа). Таким образом, гидравлическая мощность насоса равна приблизительно 19,25 кВт.

Подводим итоги

Что такое реактивная (бесполезная) мощность – ситуация, когда ток отстаёт или опережает напряжение, т.е. когда напряжение достигло пика, а ток равен нулю и наоборот;
Откуда появляется реактивная мощность — в основном из-за электродвигателей и трансформаторов (этот пункт Вам еще не понятен, если вы новичок, подписывайтесь на блог и ждите статью про катушку индуктивности);
Полезна ли реактивная мощность – она бесполезна и не производит никакой полезной работы, она лишь греет провода, поэтому чтобы уменьшить сечение кабеля, нам надо компенсировать реактивную составляющую. Также заводы оплачивают полную мощность, поэтому им надо компенсировать реактивную составляющую;
Как компенсируют реактивную мощность – к сети подключают установки для компенсации реактивной мощности;
Из-за чего возникает реактивная составляющая — в первую очередь электродвигатели, трансформаторы;

Ну вот и всё! Подписывайтесь и следите за обновлениями блога!