Многое в нашей повседневной жизни работает на электричестве, но большинство из нас не знает разницы между 60-ваттной и 75-ваттной лампочкой. Давайте узнаем больше о ваттах.
Что такое ватт?
Из всех различных единиц измерения электроэнергии ватт, пожалуй, самая знакомая. Годами вы покупали 40-ваттные и 60-ваттные лампочки, понимая, что 60-ваттная лампочка будет светить ярче, чем 40-ваттная. Но почему?
Оказывается, мощность - это количество энергии, потребляемое электрическим устройством. Еще один способ понять, что такое мощность, - это "электричество в работе", то есть мощность, которая требуется для того, чтобы что-то сделать, будь то работа пылесоса (400-900 Вт), звонок в дверь (2-4 Вт) или освещение лампочки (40-75 Вт).
Чтобы рассчитать мощность, нужно просто умножить напряжение (давление/скорость) на силу тока (объем), выраженную как V x A = W. Чем быстрее каждый электрон движется по цепи и чем больше объем, который может вместить цепь, тем выше мощность. Мощность измеряется в единицах, называемых ваттами и названных в честь Джеймса Уатта, шотландского инженера, который популяризировал паровой двигатель.
Принятие ватта
Ватт стал единицей мощности в Международной системе единиц (СИ), стандартизированной системе измерений, в 1960 году на 11-й Генеральной конференции по мерам и весам. Однако его история уходит корнями в XIX век: впервые ватт был введен в качестве единицы мощности Британской ассоциацией развития науки в 1882 году. Сегодня ватт повсеместно используется для измерения мощности в самых разных областях - от электричества до механических систем.
Кратные ватты
Кратный ватт - это единица, полученная из ватта для выражения больших или меньших количеств мощности. Эти кратные единицы облегчают количественную оценку уровней мощности в различных масштабах использования. К числу распространенных кратных ватт относятся:
- Киловатт (кВт): 1 000 ватт, часто используется для приборов и выработки электроэнергии.
- Мегаватт (МВт): 1 000 000 ватт, обычно используется для крупных электростанций.
- Гигаватт (ГВт): 1 000 000 000 ватт, используется для крупных энергетических проектов или национальных сетей.
- Милливатт (мВт): 0,001 ватт, обычно используется для небольших электронных устройств.
Что такое ватт-час?
Ватт-час (Втч) - это единица измерения энергии, которая измеряет количество выполненной работы или потребленной энергии, когда устройство использует один ватт мощности в течение одного часа. Он помогает количественно оценить общее потребление энергии за определенное время, в отличие от мгновенной мощности, которая измеряется в ваттах. Например, если 60-ваттная лампочка работает в течение 2 часов, она потребляет 120 ватт-часов. Ватт-часы часто используются в расчетах за электроэнергию и для описания емкости батарей и систем накопления энергии.
Понимание вольт, омов и ампер
Три самые основные единицы измерения электричества - это напряжение (V), ток и сопротивление (R). Мы измеряем напряжение в вольтах, ток - в амперах, а сопротивление - в омах.
Что такое вольт?
Напряжение - это измерение электрического потенциала или "давления", под которым электричество проходит через систему. Напряжение также описывается как скорость отдельных электронов при их движении по цепи и измеряется в единицах, называемых вольтами.
В Соединенных Штатах электроэнергия из электросети поступает в дома при двух различных напряжениях или "давлениях": 120 и 240 вольт. Это связано с тем, что различные бытовые приборы работают при разном напряжении. Крупные энергоемкие приборы, такие как кондиционеры, электроплиты и сушилки для белья, работают при 240 вольтах, в то время как большинству других устройств, таких как лампочки, телевизоры, компьютеры и зарядные устройства для мобильных телефонов, требуется всего 120 вольт.
Вольты названы в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который в 1800 году создал одну из первых батарей.
Что такое ампер?
Сила тока - это еще один способ измерения количества электричества, проходящего через цепь. Сила тока - это «скорость» протекания тока по цепи или количество электронов, движущихся по проводу. Сила тока указывается в единицах, называемых амперами. Эта единица названа в честь французского физика Андре-Мари Ампера, одного из основоположников электромагнетизма.
Вы можете столкнуться с амперами, если заглянете в панель обслуживания вашего дома (также называемую распределительным щитком). Вы увидите различные автоматические выключатели, обозначенные как 15 ампер, 20 ампер и 30 ампер. Чем больше сила тока, тем больше электричества может проходить через цепь. Опять же, крупные приборы, такие как кондиционеры, стиральные и сушильные машины, подключаются к 30-амперным цепям, в то время как большинство розеток в доме питаются от 20-амперных или 15-амперных цепей.
Если вы попытаетесь запустить слишком много приборов в одну цепь, выключатель «сработает» и отключит питание, чтобы защитить проводку от перегрева.
Что такое омы?
А, вы думали, мы закончили. До сих пор мы говорили о различных способах измерения количества электричества, проходящего через цепь, и о том, сколько ватт необходимо для работы различных электрических устройств, подключенных к этой цепи.
Но цепи состоят из проводов, а провода не являются идеальными проводниками. Большинство домашних электропроводов изготовлены из меди или алюминия, и оба этих материала имеют определенное естественное сопротивление или трение, которое замедляет поток электричества. Когда электричество проходит через электрические устройства и приборы, они также оказывают собственное сопротивление.
Сопротивление измеряется в омах, которые названы в честь немецкого физика и математика Георга Симона Ома.
Если вы все еще немного запутались в отношениях между вольтами, амперами, ваттами и омами, продолжайте читать, чтобы увидеть полезную аналогию.
Понимание электричества: Аналогия с водопроводом
Хорошая аналогия для понимания этих терминов - система водопроводных труб. Напряжение эквивалентно давлению воды, сила тока (ампераж) эквивалентна скорости потока, а сопротивление подобно размеру трубы.
В электротехнике есть базовое уравнение, которое показывает, как связаны эти три термина. Оно гласит, что сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление, или I = V/R. Это известно как закон Ома (названный в честь нашего друга Георга Симона Ома).
Давайте посмотрим, как это соотношение применимо к водопроводной системе. Допустим, у вас есть резервуар с водой под давлением, подключенный к шлангу, который вы используете для полива сада.
Что произойдет, если вы увеличите давление в баке? Вы, наверное, догадываетесь, что при этом из шланга выльется больше воды. То же самое можно сказать и об электрической системе: Повышение напряжения заставит протекать больше тока.
Допустим, вы увеличите диаметр шланга и всех фитингов к баку. Вы, наверное, догадались, что при этом из шланга будет вытекать больше воды. Это похоже на уменьшение сопротивления в электрической системе, что увеличивает силу тока.
Электрическая мощность измеряется в ваттах. В электрической системе мощность (P) равна напряжению, умноженному на силу тока.
Аналогия с водой по-прежнему применима. Возьмите шланг и направьте его на водяное колесо, подобное тем, которые использовались для вращения точильных камней на водяных мельницах. Вы можете увеличить мощность, вырабатываемую водяным колесом, двумя способами. Если вы увеличите давление воды, вытекающей из шланга, она будет ударяться о водяное колесо с гораздо большей силой, и колесо будет вращаться быстрее, вырабатывая больше энергии. Если увеличить скорость потока, водяное колесо будет вращаться быстрее из-за веса дополнительной воды, попадающей на него.
Электрическая эффективность
В электрической системе увеличение тока или напряжения приводит к увеличению мощности. Допустим, у вас есть система с 6-вольтовой лампочкой, подключенной к 6-вольтовой батарее. Мощность лампочки составляет 100 ватт. Используя уравнение I = P/V, мы можем рассчитать, какой ток в амперах потребуется для получения 100 ватт от этой 6-вольтовой лампочки.
Вы знаете, что P = 100 Вт, а V = 6 В. Таким образом, вы можете перестроить уравнение, чтобы решить I и подставить числа.
I = 100 Вт/6 В = 16,67 ампера.
Что произойдет, если использовать 12-вольтовую батарею и 12-вольтовую лампочку, чтобы получить 100 Вт мощности?
I = 100 Вт/12 В = 8,33 ампера
Таким образом, последняя система производит ту же мощность, но при использовании вдвое меньшего тока. Использование меньшего тока для получения того же количества энергии дает преимущество. Сопротивление электрических проводов потребляет энергию, и потребляемая мощность растет по мере увеличения тока, проходящего по проводам. Вы можете увидеть, как это происходит, сделав небольшую перестановку двух уравнений. Вам нужно уравнение для мощности в терминах сопротивления и тока. Давайте перестроим первое уравнение:
I = V/R можно переформулировать как V = I*R.
Теперь вы можете подставить уравнение для V в другое уравнение:
P = V*I Подставив V, получим P = I*R*I, или P = I2*R.
Это уравнение говорит о том, что мощность, потребляемая проводами, возрастает, если сопротивление проводов увеличивается (например, если провода становятся меньше или сделаны из менее проводящего материала). Но она резко возрастает, если увеличивается ток, проходящий по проводам. Поэтому использование более высокого напряжения для уменьшения тока может сделать электрические системы более эффективными. Эффективность электродвигателей также повышается при более высоком напряжении.
Именно это повышение эффективности заставило автомобильную промышленность в 1990-х годах задуматься о переходе с 12-вольтовых электрических систем на 42-вольтовые. По мере того как все больше автомобилей оснащалось электроприводами - видеодисплеями, подогревателями сидений, «умным» климат-контролем, - они требовали толстых пучков проводов для подачи достаточного тока. Переход на более высоковольтную систему обеспечил бы большую мощность при более тонкой проводке.
Переход так и не состоялся, поскольку автопроизводители смогли повысить эффективность благодаря цифровым технологиям и более эффективным электрическим насосам на 12 вольт. Но новые гибридные и полностью электрические (EV) легковые и грузовые автомобили оснащены электрическими системами с напряжением от 450 до 650 вольт для работы мощных электродвигателей.