Единицы силы тока в системе СИ и их связь с другими величинами

Наиболее широко используемыми стандартами для измерения физических величин не только в различных науках, но и в бытовой жизни являются те, что собраны в Международной системе единиц (СИ). Измерение силы тока относят к фундаментальным задачам электротехники, обширной области физики. Поэтому не только важно знать, в каких единицах измеряют это параметр, но и понимать, почему было выбрано именно это название.

Оглавление:

• Общие сведения
• Единица измерения
• Связь с другими величинами
• Прибор для определения

Наиболее широко используемыми стандартами для измерения физических величин не только в различных науках, но и в бытовой жизни являются те, что собраны в Международной системе единиц (СИ). Измерение силы тока относят к фундаментальным задачам электротехники, обширной области физики. Поэтому не только важно знать, в каких единицах измеряют это параметр, но и понимать, почему было выбрано именно это название.

Общие сведения

Изучение различных сил природы привело к тому, что учёные смогли обнаружить явление, позволяющее физическим телам взаимодействовать друг с другом. Эти влияния получили названия электромагнитные, а частицы, участвующие в возникновении сил, стали называть зарядами. Было установлено, что в теле есть элементарные носители, которые обладают определённым количеством энергии.

В зависимости от строения тела носителями могут быть протоны, электроны и нейтроны. Считается, что в образовании электрического тока участвуют отрицательно заряженные частицы — электроны. При этом для того чтобы возникло электричество, нужно обеспечить их направленное движение. Сделать это, возможно, с помощью внешнего воздействия — электрического поля.

Из-за сильных межатомных связей участвовать в переносе могут лишь свободные частицы. Именно по их количеству и разделяют вещества на диэлектрики и проводники. Свойства зарядов проявляется в их взаимодействии между собой. Чем значение энергии больше, тем сильнее возникают силы. В качестве единицы измерения заряда (q) принят кулон (Кл).

Рассказать, что такое заряд физики не могут. Но зато они могут описать явление, возникающее при его упорядоченном перемещении. Итак, протекание тока в проводнике можно охарактеризовать двумя параметрами:

• силой — физической величиной, показывающей, какое количество заряженных частиц пройдёт через некое поперечное сечение за единицу времени: I = q / t;
• работой (напряжением) — потенциальной энергией, затрачиваемой системой на перенос заряда из одной точки тела в другую: U = w1 — w2.

Между силой тока и напряжением существует взаимосвязь. Она была установлена экспериментально физиком Омом в 1826 году. Согласно ему сила прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению: I = U / R. Под R понимается величина, обратная проводимости. То есть это параметр, который препятствует протеканию носителей зарядов по проводнику. Зависит он от строения материала и его линейных размеров.

Кроме этого, протекание электрического тока характеризуется мощностью. Это отношение произведённой работы ко времени, в течение которого она была выполнена: P = W / t. По сути, мощность определяется количеством преобразованной энергии. Поэтому она может быть определена как P = I * U, где, I — сила тока, U — напряжение.

Единица измерения

На первом Международном конгрессе учёных в Париже за единицу измерения силы тока был принят АБ ампер. Это название было выбрано в честь французского физика Андре Ампера. На этом заседании было решено считать, что эта единица характеризует ток, создающий силу в два дина между проводниками, располагающимися на расстоянии друг от друга в один сантиметр.

В то время существовала единая система измерений СГС (сантиметр-грамм-секунда). Она строилась на трёх основных величинах. Остальные же измерения считались производными от них. При этом из-за не совершенствования многие константы получались безразмерными.

В 1893 году на очередном конгрессе было пересмотрено определение силы тока. Так, за неё стали считать значение необходимое для электрохимического осаждения 1,118 миллиграммов Ar за секунду в нитрате серебра. Единица получила название международный ампер (А). Но через время она показала свою несостоятельность, так как считалось, что величина при осаждении не изменяется. Но на практике наблюдалось её уменьшение на 0,015 процента.

На Международном комитете мер и весов в 1946 году рядом учёных было внесено предложение пересмотреть определение ампера. Это и было сделано через год на Генеральном собрании. В результате было не только окончательно установлено, в каких единицах измеряется сила тока, но и дано чёткое определение величине.

Сегодня под ампером понимается сила неизменяющегося тока, который, распространяясь по прямолинейным проводникам, расположенным в вакууме на метровом удалении друг от друга, вызывает взаимодействие равное 2 * 10^-7 ньютона. При этом проводники имеют бесконечную длину и ничтожно малую площадь поперечного сечения круговой формы.

Для обозначения величины разрешено использовать и приставки. Вот основные из них:

• кА — килоампер (10³ А);
• МА — мегаампер (10⁶ А);
• мА — миллиампер (10^-3 А);
• мкА — микроампер (10^-6 А);
• пА — пикоампер (10^-12А).

Определение становится понятным, если учесть, что ньютон есть не что иное, как сила приводящая к изменению скорости тела на 1 м/с массой в один килограмм за одну секунду. При этом взаимодействие непересекающихся проводников бесконечной длины, по которым текут токи I1 и I2 можно описать соотношением: F = (m/ 4 p) * (2 * I1 * I2 / d), где m — магнитная постоянная. Другими словам, магнитодвижущая сила в один ампер-виток в замкнутом контуре создаст силу тока равную 1 амперу.

Связь с другими величинами

Сила тока показывает, какое количество заряда может пройти за секунду времени через проводник. Согласно СИ время измеряется в секундах, а количество энергии в кулонах. Отсюда следует, что один ампер равен отношению кулона на секунду: [A] = [Кл] / [с].

В то же время в электрической цепи силу можно определить по закону Ома через сопротивление проводника и напряжение. Последняя величина — это разность потенциалов, в начальный момент времени и конечный. Измеряется она в вольтах. По своей природе сопротивление является параметром, обратным проводимости. Определить его можно из выражения: R = p * L / S. В Международной системе сопротивление измеряют в омах. Значит, можно записать, что [А] = [В] / [Ом].

В расширенной системе единиц – абсолютной электромагнитной, можно встретить единицу под названием "биотом". Другое её название — АБ ампер. Своё имя она получила в честь учёного Жана-Батиста Био. По своей сути, это мера электромагнитной единицы электрического тока. Такое обозначение используется в системе emu-cgs. Для того чтобы перевести значение к СИ нужно умножить число на десять. То есть 1 [abA] = 10 [A].

Это название было введено Кеннели в 1903. АБ ампер на то время был хорошо согласован с системой emu-cgs. Размерность этой единицы эквивалентна био: 1 АБ ампер [abA] = 1 Био [Bi]. В другой же записи системы СГС, СГСЭ (абсолютной электростатической системе сантиметр, грамм, секунда), в качестве единицы измерения силы тока используется статампер. Под ней понимают силу, которую необходимо приложить, чтобы за время равное одной секунде через поперечное сечение вещества прошёл заряд в один статкулон.

Так, 1 [А] = 2997924536, 843 [статА]. В зарубежной литературе сила электротока может обозначаться в esampere. Это тот же самый статампер в системе СГСЭ. Приблизительно можно записать, что 1 [statA] = 3,3356 * 10^-6 [А] = 3,3 [мкрА].

Стоит отметить также предложенную в 1901 году немцем Максом Планком естественную систему единиц. На самом деле она оказалась очень далёкой от практики, из-за того, что в ней невозможно выполнить упрощения. В соответствии с ней измерения электрического тока выполняют через фундаментальные константы: Iр = (c⁶ * 4pE0 / G)^1/2 = 3,47 * 10²⁵ [А], где c – скорость света, G – гравитация. То есть планковский ток — это перенос частиц, при котором один планковский заряд перетекает за одно планковское время.

Прибор для определения

Для измерения электрического тока используют прибор, который называется амперметр. Подключают его в цепь последовательно, то есть в разрыв измеряемого места. Принцип устройства заключается в способности измерять количество тока в амперах. Устройство характеризуется низким внутренним сопротивлением, поэтому не оказывать влияние на электрические свойства сети.

Амперметры бывают двух видов:

• механическими;
• электронными.

Исторически сложилось так, что первыми измерителями тока были механические приборы. С тех пор устройство приборов практически не изменилось. В их основе лежит использование магнитоэлектрического принципа. Между полюсами магнита закрепляется стальной сердечник, в котором образуется постоянное магнитное поле. В зазоре располагается рамка, чаще всего сделанная из алюминия, на которую намотан провод. Эта конструкция крепится на полуосях и поворачивается вместе с катушкой. С помощью пружин к рамке прижимается стрелка.

Если через катушку начинает проходить ток, то он пересекает магнитные силовые линии, и на рамку начинает действовать вращающий момент. Катушка отклоняется на определённый угол, тем самым вызвав изменение положения стрелки. Так как вращающий момент пропорционален току, то он будет равен: M = c * L. Величину отклонения стрелки определяют по градуированной шкале.

В последнее время на смену стрелочным приборам приходят электронные. В основе их работы лежит широтно-импульсная модуляция. С помощью компаратора выполняется аналогово-цифровое преобразование, а после сигнал обрабатывается в логическом блоке. В принципе это сложное радиоэлектронное устройство, состоящее из множества радиодеталей.

Назвать какое из этих типов устройств лучше, сложно. Механические позволяют измерять ток в динамике, а цифровые точнее. При этом стрелочные более подвержены влияниям помех и сложны в использовании. Показания же цифровых зависят от энергии источника автономного питания, если он будет выдавать заниженное напряжение показания начнут отличаться от реальных.

Нужно отметить, что в интернете существуют так называемые онлайн-конверторы. Это обычные веб-страницы, на которых размещены онлайн-программы для конвертации одних единиц измерения в другие. Сервисы предоставляют свои услуги бесплатно, а их интерфейс в большинстве случаев будет интуитивно понятен любому пользователю.