Ват — единица измерения мощности¶

Ватт (русское обозначение: Вт, международное: W) — единица измерения мощности в Международной системе единиц (СИ). Мощность в один ватт соответствует работе в один джоуль, совершённой за одну секунду, или потоку энергии в один джоуль в секунду. Единица названа в честь шотландского инженера и изобретателя Джеймса Уатта, усовершенствовавшего паровую машину.

¶Определение и соотношения

Ватт является производной единицей СИ. Через основные единицы СИ ватт выражается как кг·м²·с⁻³. В электрических измерениях один ватт равен произведению одного вольта на один ампер (для постоянного тока). С точки зрения механики, один ватт — это мощность, при которой за одну секунду совершается работа в один джоуль.

Ватт допускается использовать с десятичными приставками СИ для образования кратных и дольных единиц. Наиболее распространённые из них:

• киловатт (кВт) — 10³ Вт, используется для измерения мощности двигателей, бытовых приборов, отопительного оборудования;
• мегаватт (МВт) — 10⁶ Вт, применяется для мощности электростанций и крупных промышленных установок;
• гигаватт (ГВт) — 10⁹ Вт, используется для суммарной мощности крупных энергосистем;
• милливатт (мВт) — 10⁻³ Вт, применяется в радиоэлектронике, лазерной технике, медицине;
• микроватт (мкВт) — 10⁻⁶ Вт, характерен для сигналов малой мощности.

Внесистемной, но широко используемой единицей мощности является лошадиная сила. В России и ряде европейских стран применяется метрическая лошадиная сила, равная приблизительно 735,5 Вт. В автомобильной промышленности мощность двигателей традиционно указывается в лошадиных силах, тогда как в технической документации и расчётах чаще используется киловатт.

¶Историческая справка

Джеймс Уатт (1736–1819) ввёл понятие «лошадиная сила» для сравнения мощности своих паровых машин с тягловой силой лошадей. Сама единица «ватт» была предложена позднее. В 1882 году Британская ассоциация содействия развитию науки приняла решение назвать единицу мощности в честь Уатта. В 1889 году ватт был включён в систему единиц, утверждённую на Международном конгрессе электриков в Париже. Первоначально ватт определялся как мощность электрического тока силой в один ампер при напряжении в один вольт.

В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам ватт был включён в Международную систему единиц (СИ) как производная единица. До этого в разных странах использовались различные определения, что создавало путаницу в научных и инженерных расчётах. С 1948 года действовало международное соглашение, закрепившее механическое определение ватта через джоуль и секунду.

До 2019 года ватт был привязан к международным прототипам килограмма и метра. После переопределения основных единиц СИ в 2018 году ватт стал выражаться через фиксированные значения фундаментальных констант, в частности через постоянную Планка. Это обеспечило более высокую точность воспроизведения единицы в метрологических лабораториях.

¶Измерение мощности

Для измерения мощности в электрических цепях применяются ваттметры. Электродинамические ваттметры измеряют мощность постоянного и переменного тока путём перемножения тока и напряжения. Цифровые ваттметры, появившиеся во второй половине XX века, используют аналого-цифровые преобразователи и микропроцессорную обработку сигнала, что позволяет измерять мощность с высокой точностью в широком диапазоне частот.

Механическая мощность определяется косвенным методом: измеряются сила и скорость, после чего вычисляется произведение этих величин. Для измерения мощности вращающихся валов применяются тормозные стенды и динамометры, фиксирующие крутящий момент и частоту вращения.

В быту для учёта потребляемой электроэнергии используются электросчётчики, которые измеряют не мощность, а работу (энергию) в киловатт-часах. Киловатт-час равен работе, совершаемой устройством мощностью один киловатт в течение одного часа, что соответствует 3,6 мегаджоуля.

¶Применение в различных областях

В электротехнике ватт используется для характеристики мощности потребителей и генераторов. Мощность ламп накаливания составляет от 15 до 200 Вт, светодиодных ламп — от 3 до 30 Вт при сопоставимой светоотдаче. Бытовые электроприборы имеют мощность от нескольких ватт (зарядные устройства) до нескольких киловатт (электрические плиты, водонагреватели).

В теплотехнике ватт применяется для измерения теплового потока. Тепловая мощность отопительных радиаторов, котлов и кондиционеров указывается в ваттах или киловаттах. Для характеристики теплопотерь зданий используется удельная величина — ватт на квадратный метр.

В акустике мощность звука измеряется в ваттах, однако для восприятия громкости более значим уровень звукового давления в децибелах. Акустическая мощность бытовых колонок обычно составляет единицы-десятки ватт, профессиональных концертных систем — тысячи ватт.

В оптике и лазерной технике мощность излучения измеряется в ваттах или милливаттах. Мощность лазерной указки составляет 1–5 мВт, промышленных лазеров для резки металла — единицы киловатт.

В механике ватт характеризует мощность двигателей, насосов, станков. Мощность двигателя легкового автомобиля составляет 60–300 кВт, грузового — до 400 кВт, локомотива — 3–8 МВт. Мощность человека при длительной работе составляет около 70–100 Вт, при кратковременных интенсивных нагрузках может кратковременно превышать 1000 Вт.

¶Электрическая и полная мощность

В цепях переменного тока различают активную, реактивную и полную мощность. Активная мощность, измеряемая в ваттах, характеризует энергию, преобразуемую в тепло, механическую работу или излучение. Реактивная мощность, измеряемая в вольт-амперах реактивных (вар), связана с колебаниями энергии между источником и реактивными элементами цепи (катушками индуктивности и конденсаторами). Полная мощность, измеряемая в вольт-амперах (ВА), равна геометрической сумме активной и реактивной мощностей.

Отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности (cos φ). Для бытовых потребителей с активной нагрузкой (нагреватели, лампы накаливания) коэффициент мощности близок к единице. Для электродвигателей и люминесцентных светильников он составляет 0,6–0,9. Низкий коэффициент мощности увеличивает потери в линиях электропередачи, поэтому на промышленных предприятиях применяются установки компенсации реактивной мощности.

¶Эталоны и стандарты

Государственный первичный эталон единицы мощности в Российской Федерации хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге. Эталон обеспечивает воспроизведение ватта в диапазоне от 0,01 до 100 Вт с относительной погрешностью порядка 10⁻⁶.

Международные сличения эталонов мощности проводятся под эгидой Международного бюро мер и весов. Современные электрические эталоны основаны на квантовых эффектах — эффекте Джозефсона и квантовом эффекте Холла, что позволяет связывать ватт с фундаментальными физическими константами с высокой точностью.