Содержание
Ампе́р (русское обозначение: А; международное: A) — единица измерения силы электрического тока в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. В амперах измеряется также магнитодвижущая сила и разность магнитных потенциалов (устаревшее наименование — ампер-виток) [1] . Кроме того, ампер является единицей силы тока и относится к числу основных единиц в системе единиц МКСА.
Содержание
Определение [ править | править код ]
16 ноября 2018 года на XXVI Генеральной конференции мер и весов было принято определение ампера, основанное на использовании численного значения элементарного электрического заряда. Формулировка, вступившая в силу 20 мая 2019 года, гласит [2] :
Ампер, символ А, есть единица электрического тока в СИ. Она определена путём фиксации численного значения элементарного заряда равным 1,602 176 634⋅10 −19 , когда он выражен единицей Кл, которая равна А·с, где секунда определена через Δ ν C s <displaystyle Delta
u _<mathrm>> [3] .
История [ править | править код ]
Происхождение [ править | править код ]
Единица измерения, принятая на 1-м Международном конгрессе электриков [4] (1881 г., Париж), названа в честь французского физика Андре Ампера. Она была первоначально определена как одна десятая единицы тока системы СГСМ (эта единица, известная в настоящее время как абампер или био, определяла ток, создающий силу в 2 дины на сантиметр длины между двумя тонкими проводниками на расстоянии в 1 см ).
Международный ампер [ править | править код ]
В 1893 году было принято определение единицы измерения силы тока как тока, необходимого для электрохимического осаждения 1,118 миллиграммов серебра в секунду из раствора нитрата серебра. Предполагалось, что величина единицы при этом не изменится, однако оказалось, что она изменилась на 0,015%. Эта единица стала известна как международный ампер.
Определение 1948 года [ править | править код ]
Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2⋅10 −7 ньютона .
Таким образом, фактически было возвращено изначальное определение.
Из определения ампера следует, что магнитная постоянная μ 0 <displaystyle mu _<0>> равна 4 π × 10 − 7 <displaystyle 4pi imes 10^<-7>> Гн/ м или, что то же самое, 4 π × 10 − 7 <displaystyle 4pi imes 10^<-7>> Н/А² точно. Это утверждение становится понятным, если учесть, что сила взаимодействия двух расположенных на расстоянии d <displaystyle d> друг от друга бесконечных параллельных проводников, по которым текут токи I 1 <displaystyle I_<1>> и I 2 <displaystyle I_<2>> , приходящаяся на единицу длины, выражается соотношением:
F = μ 0 4 π 2 I 1 I 2 d . <displaystyle F=<frac <mu _<0>><4pi >><frac <2I_<1>I_<2>>
Магнитодвижущая сила 1 ампер (ампер-виток) — это такая магнитодвижущая сила, которую создаёт замкнутый контур, по которому протекает ток, равный 1 амперу .
Определение 2018 года [ править | править код ]
В 2018 году было принято и на следующий год вступило в силу нынешнее определение ампера. Величина ампера не изменилась при смене определения. Однако изменения определения привело к тому, что указанное выше выражение для магнитной постоянной перестало быть точным, а стало выполняться лишь численно (но с огромной точностью).
Кратные и дольные единицы [ править | править код ]
В соответствии с полным официальным описанием СИ, содержащемся в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI , англ. The SI Brochure ), опубликованной Международным бюро мер и весов (МБМВ), десятичные кратные и дольные единицы ампера образуются с помощью стандартных приставок СИ [5] . «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», принятое Правительством Российской Федерации, предусматривает использование в России тех же приставок [7] .
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 10 1 А | декаампер | даА | daA | 10 −1 А | дециампер | дА | dA |
| 10 2 А | гектоампер | гА | hA | 10 −2 А | сантиампер | сА | cA |
| 10 3 А | килоампер | кА | kA | 10 −3 А | миллиампер | мА | mA |
| 10 6 А | мегаампер | МА | MA | 10 −6 А | микроампер | мкА | µA |
| 10 9 А | гигаампер | ГА | GA | 10 −9 А | наноампер | нА | nA |
| 10 12 А | тераампер | ТА | TA | 10 −12 А | пикоампер | пА | pA |
| 10 15 А | петаампер | ПА | PA | 10 −15 А | фемтоампер | фА | fA |
| 10 18 А | эксаампер | ЭА | EA | 10 −18 А | аттоампер | аА | aA |
| 10 21 А | зеттаампер | ЗА | ZA | 10 −21 А | зептоампер | зА | zA |
| 10 24 А | иоттаампер | ИА | YA | 10 −24 А | иоктоампер | иА | yA |
| применять не рекомендуется | |||||||
Связь с другими единицами СИ [ править | править код ]
Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то за одну секунду через поперечное сечение проходит заряд, равный 1 кулону [8] .
Если конденсатор ёмкостью в 1 фарад заряжать током 1 ампер, то напряжение на обкладках будет возрастать на 1 вольт каждую секунду.
Мы уже ввели логику того, что на движущийся в магнитном поле заряд действует сила. И опять нами была введена эта сила — сила Лоренца. Но сила Лоренца — сила, действующая на единичный заряд (т.е. одинокое тело), а если таких тел много? Например, если в магнитное поле помещён проводник с током. Ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, тогда, если поместить проводник с током в магнитное поле, на каждый из зарядов будет действовать сила Лоренца (рис. 1).
Рис. 1. Суммарная сила Лоренца
Если просуммировать все эти силы, мы получим общую силу, действующую на проводник с током. Назовём эту силу — силой Ампера. Ток в проводнике организуется электронами (одинаковыми зарядами), и будем считать, что скорость продольного движения у них всех одинакова. Тогда суммарную силу Лоренца запишем как:
- где
- — суммарная сила Лоренца,
- — количество зарядов в проводнике,
- — заряд носителя,
- — скорость движения носителя,
- — магнитная индукция поля,
- — синус угла между скоростью и вектором магнитной индукции.
Подставим (2) в (1):
Пусть длина проводника — , считая, что электроны движутся равномерно, то , тогда:
- где
- — сила Ампера,
- — сила тока в проводнике,
- — магнитная индукция,
- — длина проводника в поле,
- — синус угла между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции.
Сила (4) и является силой Ампера. Для определения направления силы Ампера пользуются правилом левой руки для силы Ампера: ориентируем левую руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца по току, тогда противопоставленный палец показывает направление силы Ампера.
В ряде задач не лишним будет использование соотношение для момента силы Ампера. Такие задачи чаще всего связаны с контуром (замкнутой кривой), помещённой в магнитное поле. Моментом сил называется произведение силы на плечо силы, тогда:
- где
- — момент силы Ампера,
- — ток в проводнике,
- — магнитная индукция,
- — площадь контура,
- — синус угла между направлением силы тока и вектором магнитной индукции.
Вывод: в задачах сила Ампера вводится в очень ограниченной системе. Проводник с током должен быть помещён в магнитное поле. Только тогда и возникает эта сила (4). Ещё использование сопряжено со втором законом Ньютона и дальнейшими кинематическими характеристиками движения.
Определение силы тока
Силой тока — это физическая величина, равная электрическому заряду q, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени:
где I — сила тока, t — время (в системе СИ единицей времени является секунда).
За единицу измерения силы тока в международной системе единиц СИ принят ампер, получивший свое название в честь французского физика Андре-Мари Ампера (1775-1836 г.г.), который впервые сформулировал понятие силы тока. Сокращенное обозначение единицы пишется с заглавной буквы А.
Рис. 1. Портрет Андре-Мари Ампера
При силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 с проходит электрический заряд величиной 1 К (кулон).
Протекание электрического тока проявляется различных химических реакциях (в электролитах), в свечении или нагревании вещества, а также в магнитном взаимодействии проводников. Оказалось, что из всех известных проявлений тока только магнитное взаимодействие воспроизводится вместе с электрическим током всегда, при любых условиях, в любых средах и в вакууме.
По этой причине магнитное взаимодействие проводника с током было выбрано в системе СИ для определения силы тока ампера (А).
В системе СИ ампер является одной из семи основных единиц для физических величин, пользуясь которыми можно выразить все остальные единицы. Кроме ампера — это метр (м), килограмм (кг), секунда (с), моль (моль), температура (кельвин, К). Например, сила измеряется в ньютонах (Н), который равен:
Определение единицы силы тока
Напомним, что при прохождении тока по двум параллельным проводникам в одном направлении проводники притягиваются, а при прохождении тока в противоположных направлениях — отталкиваются. Этот эффект обнаружил Ампер и назвал его электромагнитным взаимодействием.
Рис. 2. Схема опыта Ампера для взаимодействия двух параллельных токов
Действующее на сегодняшний день определение единицы силы тока было сформулировано и принято в 1948 г.:
Ампер — сила постоянного тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника 1 метр силу взаимодействия, равную 2*10 -7 Н (ньютона).
Дополнительные единицы
На практике для удобства записи, для очень маленьких или очень больших токов, часто применяют кратные и дольные единицы от основной. Напомним, что кратными называют единицы намного больше основной, а дольными — намного меньше основной:
- Наноампер — 1 нА = 0,000000001=1,0*10 -9 А;
- Микроампер — 1 мкА = 0,000001 А;
- Миллиампер — 1 мА = 0,001 А;
- Килоампер — 1 кА = 1000 А;
- Мегаампер — 1МА = 1000000 А= 1,0*10 6 А.
Международное бюро мер и весов (находится в г. Севр, Франция), которое отвечает за обеспечение существования системы СИ, в 2019 г. планирует введение некоторых изменений в определениях основных единиц. Изменения будут внесены в определения кельвина, килограмма, моля и ампера. Эта реформа не повлияет на жизнь большинства людей. Необходимость этого мероприятия вызвана требованиями повышения точности в научных экспериментах и приборостроении. На основании опубликованных документов будут разработаны и утверждены государственные стандарты в странах, использующих систему СИ. На следующем этапе будут внесены корректировки в школьных и вузовских учебниках физики. Пока действующим является определение ампера, утвержденное в 1948 году.
Рис. 3. Примеры амперметров
Измерение тока в электрических цепях производится с помощью амперметров. Для калибровки шкал этих приборов (стрелочных и цифровых) очень важное значение имеет универсальность и точность самой единицы измерения — ампера.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали что такое сила электрического тока, и как она связана с величиной электрического заряда. Единица измерения силы тока — ампер. Определение единицы измерения силы тока основано на силовом магнитном взаимодействии проводников, по которым течет ток. Дополнительно, когда величины токов много больше или, наоборот, много меньше 1 ампера, допускается использование дольных и кратных единиц: наноампер, микроампер, килоампер, мегаампер и др.