Ампер: характеристика единицы измерения силы тока

Великий учёныйТрадиционный символ I происходит от французского словосочетания intensité du courant, что на русском языке означает «сила тока». Эта фраза часто используется в старых текстах. В современной практике её зачастую укорачивают до слова «ток». Обозначение I было впервые использовано самим Андре-Мари Ампером, в честь которого названы единица электрического тока и разработанный им закон.

Великий учёный

Электрический токИмя André-Marie Ampère увековечено среди имён других 72 учёных на первом этаже Эйфелевой башни. Его вклад в науку заложил фундамент для понимания явлений электромагнетизма. Хоть Андре-Мари был не первым человеком, обнаружившим связь между электричеством и магнетизмом, он впервые попытался теоретически объяснить и продемонстрировать, как в математических выражениях расписывается связь между этими явлениями. Ампер с помощью устройства собственного изобретения смог измерить ток, а не просто зафиксировать его присутствие.

Учёный родился в Лионе в 1775 году и был современником Французской революции. Будучи сыном коммерсанта и чиновника, он с ранних лет проявлял страсть к математике, а став подростком, читал сложные трактаты Эйлера и Лагранжа. Получил должность профессора математики Парижской политехнической школы в 1809 году, а в 1814 г. был избран членом Академии наук. Хоть Андре-Мари преподавал математику, его интересы распространялись на многие области, в том числе на химию и физику.

Единица и определениеНаиболее значимый документ Ампера по теории электричества был опубликован в 1826 году. Теоретические основы, представленные в этом труде, стали фундаментом для дальнейших открытий в области электричества и магнетизма. Получив известность и признание в высокоуважаемых академиях и научных организациях мира, Ампер избегал публичности и чувствовал себя счастливым только в скромной лаборатории в Париже.

Несмотря на достижения и место в обществе, судьба учёного сложилась довольна трагично. В 1793 году его отца гильотинировали за политические убеждения. Это событие стало причиной глубокой депрессии Андре-Мари и едва не свело его с ума. Первая жена рано ушла из жизни после продолжительной болезни, второй брак был неудачным и несчастливым. Сам Ампер умер в 1836 году от воспаления лёгких в Марселе и был похоронен на кладбище Монмартр в Париже.

Электрический ток

Электричеством называют форму энергии, основанной на наличии электрических зарядов в веществе. Вся материя состоит из атомов, а атомы содержат заряженные частицы. Каждый протон в атомном ядре содержит одну единицу положительного электрического заряда, а каждый электрон, вращающийся вокруг ядра, несёт в себе единицу отрицательного. Электрические явления возникают, когда электроны покидают атомы: потеря одного или нескольких из них превращает атом в положительно заряженный ион. Все явления, происходящие с зарядами, могут быть отнесены к двум основным категориям:

  • статическое электричество;
  • электрический ток.

Первый термин описывает поведение зарядов в состоянии покоя. Подобные явления хорошо иллюстрируют наэлектризованные волосы — они будут отталкиваться друг от друга, поскольку обладают одним зарядом.

Электрический ток имеет отношение к поведению зарядов в движении. Чтобы они перемещались непрерывно, им нужно обеспечить беспрепятственный маршрут. Путь для зарядов называют электрической цепью. Простейшая электрическая цепь, как правило, состоит из следующих элементов:

  • источника;
  • нагрузки;
  • соединяющих проводников.

Эволюция эталонаЭлектрическим током называют любое движение носителей электрических зарядов: субатомных частиц (электронов или протонов), ионов (атомов, потерявших или набравших электроны) или квазичастиц (дырок в полупроводниках, которые можно рассматривать в качестве положительно заряженных носителей).

Ток в проводнике представляет собой движение электронов в одном направлении (постоянный) или с периодической сменой направления движения (переменный). В газах и жидкостях он состоит из потока положительных ионов в одном направлении вместе с потоком отрицательных в обратном. Существуют и другие его виды, например, пучки протонов, позитронов или других заряженных мюонов в ускорителях частиц.

В отношении общепринятого направления тока существует некоторое противоречие, основа которого была заложена более двух веков назад. Поскольку в те времена электроны ещё не были обнаружены, учёные предположили, что перемещаемые частицы несли положительный заряд. Традиция обозначать направление тока как направление движения положительных частиц не забыта и сейчас, хоть в проводниках носителями заряда являются электроны.

Единица и определение

Важнейшей характеристикой для описанных явлений является количественное измерение потока заряженных частиц. Этот показатель называют силой тока, его единица измерения — ампер (обозначается A). В численном выражении 1 ампер равен единичному заряду (1 кулону), проходящему через точку в цепи за единицу времени (1 секунду). Таким образом, A можно рассматривать как скорость потока I=Q/T, имеющую такой же смысл для заряда, как и скорость для физических тел. Широко применяются следующие кратные единицы:

  • 10 −6А — микроампер мкА;
  • 10 −3А — миллиампер мА;
  • 10 3А — килоампер кА.

Эволюция эталона

Будущее величины в СИВ знак признания фундаментальных работ великого физика André-Marie Ampère название ампер было принято в качестве электрической единицы измерения на международной конвенции в 1881 году. По международному определению 1883 года 1ампером являлся ток, способный при прохождении раствора нитрата серебра выделить 0,001118000 грамм серебра за секунду. Более поздние замеры показали, что принятый эквивалент составлял 0,99985 A, поэтому способы расписать ампер через явления электролиза со временем перестали удовлетворять из-за растущих требований к точности.

С 1948 года A (amper) был определён в Международной системе единиц как неизменяющийся ток, протекающий в двух параллельных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого сечения, помещённых на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, и производящий между ними силу взаимодействия, равную 2х10 -7 ньютонов на метр длины. Это определение базируется на явлении электромагнетизма, связывая метр, килограмм и электрические единицы магнитной постоянной (1.25663706х10 -6 м кг с -2 А -2).

Реализация такого эталона основана на работе сложных электромеханических устройств. Их точность ограничивается десятимиллионными долями, что недостаточно для современных нужд. Эта проблема классического определения ампера привела к новой практической реализации. В соответствии с ней все электрические единицы рассматриваются как производные от электрических квантовых стандартов на основе эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла. Подобная привязка позволяет воспроизводить единицу с точностью до миллиардных долей.

Будущее величины в СИ

Воздействие на человекаВ 2005 году Международный комитет мер и весов начал первые приготовления к переопределению единиц СИ с целью привязки их к естественным константам. В соответствии с таким взглядом на эталоны ампер будет определяться подсчётом одиночных частиц с элементарным зарядом e. На основании решения 2014 года пересмотр вступает в силу в 2018 году.

Элегантная реализация нового определения A теоретически возможна с помощью одноэлектронных насосов, производящих электрический ток через синхронизированный контролируемый транспорт одиночных электронов. Некоторые международные исследования в этом направлении уже близки к достижению такой амбициозной цели.

Воздействие на человека

В большинстве случаев электрический ток представляет собой поток электронов. Поскольку ампер является мерой количества заряда, проходящего в секунду, нетрудно будет посчитать количество электронов в перемещённом заряде: 1 Кл = 6,24151·10 18. То есть один ампер равен потоку 6340 квадриллионов частиц в секунду. Это колоссальная цифра, но вряд ли она иллюстративна для сравнительного понимания, когда показатель чего-либо измеряют в амперах. В этом помогут следующие повседневные примеры:

  • Практические измерения160х10 -19 — один электрон в секунду;
  • 0,7х10 -3 — слуховой аппарат;
  • 5х10 -3 — пучок в кинескопе телевизора;
  • 150х10 -3 — портативный ЖК телевизор;
  • 0,2 — электрический угорь;
  • 0,3 — лампа накаливания;
  • 10 — тостер, чайник;
  • 100 — стартер автомобиля;
  • 30х10 3 — удар молнии;
  • 180х10 3 — дуговая печь для ферросплавов;
  • 5х10 6 — дуга между Юпитером и Ио.

Порог смертельно опасного воздействия на человеческий организм начинается с 18 мА. Ток, превышающий это значение и проходящий через грудную клетку, способен стимулировать мышцы груди таким образом, что их спазмы могут вызвать полную остановку дыхания. Другой опасный эффект при подобном воздействии связан с фибрилляцией желудочков сердца. Основные факторы летальности:

  1. АмперСила тока. Так как сопротивление между точками входа и выхода — постоянная величина, по закону Ома высокое напряжение делает вероятным высокий ампераж.
  2. Маршрут протекания. Наиболее опасны для сердечной мышцы направления рука-рука и передняя-задняя части грудной клетки.
  3. Индивидуальная чувствительность к воздействию электричества и особенности организма (сопротивление кожи и её влажность, возраст и пол, заболевания, наличие медицинских имплантов).
  4. Продолжительность воздействия.

Большое влияние на тяжесть поражения током оказывает также неспособность отпустить источник. При условии, что пальцы человека держат в руках один из контактов под напряжением, многие взрослые люди не могут отпустить источник при протекающем постоянном токе менее 6 мА. При 22 мА это будет не под силу всем людям. 10 мА для человека, находящегося в воде, достаточно, чтобы вызвать полную потерю контроля над мышцами.

Практические измерения

Подсчёт количества электронов в проводнике с секундомером в руке практически неосуществим, поэтому ток измеряют специальными приборами (амперметрами) или косвенными расчётами. Амперметры устроены таким образом, что они реагируют на магнитное поле, создаваемое измеряемым током. Существуют различные типы подобных измерительных приборов, но все они основаны на одном принципе. Общие правила измерений силы тока можно свести к следующему перечню:

  1. Ампер единица измеренияАмперметр всегда включается последовательно к нагрузке, при измерениях ток должен протекать через прибор. Подключение прибора параллельно может привести к протеканию в нём слишком больших токов, что способно вызвать его выход из строя.
  2. Для высокой точности измерений внутреннее сопротивление прибора должно быть настолько низким, насколько это возможно, чтобы не влиять на параметры цепи.
  3. Следует позаботиться о виде тока (AC или DC). В случае с постоянным обязательно обратить внимание на полярность.
  4. Диапазон измерений должен быть настолько большим, насколько это возможно без вреда для точности. Важно, чтобы неизмеряемое значение не оказалась за пределами шкалы.

Возможны случаи, когда контур невозможно разомкнуть для замеров или нужное место в цепи труднодоступно. В таких ситуациях измерение можно выполнить косвенно. Определив падение напряжения на резисторе, можно с помощью закона Ома определить ток. Косвенные измерения удобно производить мультиметром — прибором, объединяющим функции омметра, вольтметра и амперметра.

В ситуациях, когда ток слишком высок для того, чтобы измерить его стандартным прибором, используют шунтирование. Самый дешёвый и простой способ — параллельное присоединение к участку резистора с омметром. Применение для измерений трансформатора тока добавляет важное преимущество, заключающееся в создании гальванической развязки между измерительным прибором и схемой, в которой измеряется ток. Но в этом случае анализ возможен только для переменного тока.

Измерения тока на реальных схемах выполняются в большинстве случаев для двух целей. Основная задача замеров — контроль за питанием. Вторая функция анализа токов заключается в определении неисправностей или превышения допустимого ампеража.

Очень важен выбор правильной технологии снятия показаний, чтобы компоненты контрольного оборудования способны были должным образом работать в пиковых и аварийных режимах. Современное развитие цифровой и компьютерной техники значительно расширило возможности точного измерения и исследования токов косвенными методами, а полупроводниковые технологии недалёкого будущего обещают дозировать электричество с точностью до единичного заряда.

Помогла статья? Оцените её
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...
Добавить комментарий