Закон Ампера — Википедия
Зако́н Ампе́ра — закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Сила оказывается линейно зависимой как от тока, так и от магнитной индукции B{\displaystyle B}. Выражение для силы dF→{\displaystyle d{\vec {F}}}, с которой магнитное поле действует на элемент объёма dV{\displaystyle dV} проводника с током плотности j→{\displaystyle {\vec {j}}}, находящегося в магнитном поле с индукцией B→{\displaystyle {\vec {B}}}, в Международной системе единиц (СИ) имеет вид:
- dF→=j→×B→dV.{\displaystyle d{\vec {F}}={\vec {j}}\times {\vec {B}}dV.}
Если ток течёт по тонкому проводнику, то j→dV=Idl→{\displaystyle {\vec {j}}dV=Id{\vec {l}}}, где dl→{\displaystyle d{\vec {l}}} — «элемент длины» проводника — вектор, по модулю равный dl{\displaystyle dl} и совпадающий по направлению с током. Тогда предыдущее равенство можно переписать следующим образом:
Направление силы dF→{\displaystyle d{\vec {F}}} определяется по правилу вычисления векторного произведения, которое удобно запомнить при помощи правила левой руки.
Модуль силы Ампера можно найти по формуле:
- dF=IBdlsinα,{\displaystyle dF=IBdl\sin \alpha ,}
где α{\displaystyle \alpha } — угол между вектором магнитной индукции и направлением, вдоль которого течёт ток.
Сила F{\displaystyle F} максимальна, когда проводник с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции (α=90∘,sinα=1{\displaystyle \alpha =90^{\circ },\sin \alpha =1}):
- F=BLI{\displaystyle F=BLI}, где L{\displaystyle L} — длина проводника.
Два бесконечных параллельных проводника в вакуумеНаиболее известным примером, иллюстрирующим силу Ампера, является следующая задача. В вакууме на расстоянии r{\displaystyle r} друг от друга расположены два бесконечных параллельных проводника, в которых в одном направлении текут токи I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}}. Требуется найти силу, действующую на единицу длины проводника.
В соответствии с законом Био — Савара — Лапласа бесконечный проводник с током I1{\displaystyle I_{1}} в точке на расстоянии r{\displaystyle r} создаёт магнитное поле с индукцией
- B1(r)=μ04π2I1r,{\displaystyle B_{1}(r)={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}}{r}},}
где μ0{\displaystyle \mu _{0}} — магнитная постоянная.
Теперь по закону Ампера найдём силу, с которой первый проводник действует на второй:
- dF→1−2=I2dl→×B→1(r).{\displaystyle d{\vec {F}}_{1-2}=I_{2}d{\vec {l}}\times {\vec {B}}_{1}(r).}
По правилу буравчика, dF→1−2{\displaystyle d{\vec {F}}_{1-2}} направлена в сторону первого проводника (аналогично и для dF→2−1{\displaystyle d{\vec {F}}_{2-1}}, а значит, проводники притягиваются).
Модуль данной силы (r{\displaystyle r} — расстояние между проводниками):
- dF1−2=μ04π2I1I2rdl.{\displaystyle dF_{1-2}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}I_{2}}{r}}dl.}
Интегрируем по участку проводника длины L{\displaystyle L} (пределы интегрирования по l{\displaystyle l} от 0 до L{\displaystyle L}):
- F1−2=μ04π2I1I2r⋅L.{\displaystyle F_{1-2}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}I_{2}}{r}}\cdot L.}
Если L{\displaystyle L} — единичная длина, то это выражение задаёт искомую силу взаимодействия.
Полученная формула используется в СИ для установления численного значения магнитной постоянной μ0{\displaystyle \mu _{0}}. Действительно, ампер, являющийся одной из основных единиц СИ, определяется в ней как «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⋅10−7ньютона»[1].Таким образом, из полученной формулы и определения ампера следует, что магнитная постоянная μ0{\displaystyle \mu _{0}} равна 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}} Н/А² или, что то же самое, 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}} Гн/ м точно.
- Электродинамическая деформация шин (токопроводов) трёхфазного переменного тока на подстанциях при воздействии токов короткого замыкания.
- Раздвигание токопроводов рельсотронов при выстреле.
Любые узлы в электротехнике, где под действием электромагнитного поля происходит движение каких-либо элементов, используют закон Ампера. Принцип работы электромеханических машин (движение части обмотки ротора относительно части обмотки статора) основан на использовании закона Ампера, и самый широко распространённый и используемый чуть ли не во всех технических конструкциях агрегат — это электродвигатель, либо, что конструктивно почти то же самое — генератор. Именно под действием силы Ампера происходит вращение ротора, поскольку на его обмотку влияет магнитное поле статора, приводя в движение. Любые транспортные средства на электротяге для приведения во вращение валов, на которых находятся колёса, используют силу Ампера (трамваи, электрокары, электропоезда и др).
Также магнитное поле приводит в движение механизмы электрозапоров (электродвери, раздвигающиеся ворота, двери лифта). Другими словами, любые устройства, которые работают на электричестве и имеют движущиеся узлы, основаны на эксплуатации закона Ампера.
Также, он находит применение во многих других видах электротехники, например, в динамическое головке (динамике): в динамике (громкоговорителе) для возбуждения мембраны, которая формирует звуковые колебания используется постоянный магнит, на него под действием электромагнитного поля, создаваемого расположенным рядом проводником с током, действует сила Ампера, которая изменяется в соответствии с нужной звуковой частотой.
Также:
В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед открыл, что провод, по которому идёт ток, создает магнитное поле и заставляет отклоняться стрелку компаса. Он заметил, что магнитное поле перпендикулярно току, а не параллельно ему, как можно было бы ожидать. Ампер, вдохновлённый демонстрацией опыта Эрстеда, обнаружил, что два параллельных проводника, по которым течёт ток, притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, в одну ли или разные стороны по ним идёт ток. Таким образом ток не только производит магнитное поле, но магнитное поле действует на ток. Уже через неделю после объявления Эрстедом о своём опыте, Ампер предложил объяснение: проводник действует на магнит, потому что в магните течёт ток по множеству маленьких замкнутых траекторий[2][3].
Пусть есть два тонких проводника с токами I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}} , заданные кривыми C1{\displaystyle C_{1}} и C2{\displaystyle C_{2}}. Сами кривые могут быть заданы радиус-векторами r1{\displaystyle \mathbf {r} _{1}} и r2{\displaystyle \mathbf {r} _{2}}. Найдем силу, действующую непосредственно на токовый элемент одного провода со стороны токового элемента другого провода. По закону Био — Савара — Лапласа токовый элемент I1dr1{\displaystyle I_{1}\mathrm {d} \mathbf {r} _{1}}, находящийся в точке r1{\displaystyle \mathbf {r} _{1}}, создает в точке r2{\displaystyle \mathbf {r} _{2}} элементарное магнитное поле dB1(r2)=μ04πI1[dr1,r2−r1]|r2−r1|3{\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {B} _{1}(\mathbf {r} _{2})={\mu _{0} \over 4\pi }{\frac {I_{1}[\mathrm {d} \mathbf {r} _{1},\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}]}{|\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}|^{3}}}}. По закону Ампера сила, действующая со стороны поля dB1(r2){\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {B} _{1}(\mathbf {r} _{2})} на токовый элемент I2dr2{\displaystyle I_{2}\mathrm {d} \mathbf {r} _{2}}, находящийся в точке r2{\displaystyle \mathbf {r} _{2}}, равна
- d2F12=I2dr2×dB1(r2)=μ0I1I24π[dr2,[dr1,r2−r1]]|r2−r1|3.{\displaystyle \mathrm {d} ^{2}\mathbf {F} _{12}=I_{2}\mathrm {d} \mathbf {r} _{2}\times \mathrm {d} \mathbf {B} _{1}(\mathbf {r} _{2})={\mu _{0}I_{1}I_{2} \over 4\pi }{\frac {[\mathrm {d} \mathbf {r} _{2},[\mathrm {d} \mathbf {r} _{1},\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}]]}{|\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}|^{3}}}.}
Токовый элемент I2dr2{\displaystyle I_{2}\mathrm {d} \mathbf {r} _{2}}, находящийся в точке r2{\displaystyle \mathbf {r} _{2}}, создает в точке r1{\displaystyle \mathbf {r} _{1}} элементарное магнитное поле
- dB2(r1)=μ04πI2[dr2,r1−r2]|r2−r1|3{\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {B} _{2}(\mathbf {r} _{1})={\mu _{0} \over 4\pi }{\frac {I_{2}[\mathrm {d} \mathbf {r} _{2},\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}]}{|\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}|^{3}}}}.
Сила Ампера, действующая со стороны поля dB2(r1){\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {B} _{2}(\mathbf {r} _{1})} на токовый элемент I1dr1{\displaystyle I_{1}\mathrm {d} \mathbf {r} _{1}}, находящийся в точке r1{\displaystyle \mathbf {r} _{1}}, равна
- d2F21=I1dr1×dB2(r1)=μ0I1I24π[dr1,[dr2,r1−r2]]|r2−r1|3.{\displaystyle \mathrm {d} ^{2}\mathbf {F} _{21}=I_{1}\mathrm {d} \mathbf {r} _{1}\times \mathrm {d} \mathbf {B} _{2}(\mathbf {r} _{1})={\mu _{0}I_{1}I_{2} \over 4\pi }{\frac {[\mathrm {d} \mathbf {r} _{1},[\mathrm {d} \mathbf {r} _{2},\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}]]}{|\mathbf {r} _{2}-\mathbf {r} _{1}|^{3}}}.}
В общем случае для произвольных r1{\displaystyle \mathbf {r} _{1}} и r2{\displaystyle \mathbf {r} _{2}} силы d2F12{\displaystyle \mathrm {d} ^{2}\mathbf {F} _{12}} и d2F21{\displaystyle \mathrm {d} ^{2}\mathbf {F} _{21}} даже не коллинеарны, а значит, не подчиняются третьему закону Ньютона: d2F12+d2F21≠0{\displaystyle \mathrm {d} ^{2}\mathbf {F} _{12}+\mathrm {d} ^{2}\mathbf {F} _{21}\neq 0}. Однако ничего страшного в этом нет. Физиками доказано, что постоянный ток может течь только по замкнутому контуру. Поэтому третий закон Ньютона должен действовать только для сил, с которыми взаимодействуют два замкнутых проводника с током. Убедимся, что для двух таких проводников третий закон Ньютона выполняется.
Пусть кривые C1{\displaystyle C_{1}} и C2{\displaystyle C_{2}} являются замкнутыми. Тогда ток I1{\displaystyle I_{1}} создает в точке r2{\displaystyle \mathbf {r} _{2}} магнитное поле
- B1(r2)=μ0I14π∮C1[dr1,r
Что такое Ампер
Ампе́р (обозначение: А) — единица измерения силы электрического тока в системе СИ, а также единица магнитодвижущей силы и разности магнитных потенциалов (устаревшее наименование — ампер-виток).
1 Ампер это сила тока, при которой через проводник проходит заряд 1 Кл за 1 сек.
\[ \mbox{I} = \dfrac{\mbox{q}}{\mbox{t}} \qquad \qquad \mbox{1A} = \dfrac{\mbox{1Кл}}{\mbox{1c}} \]
Одним Ампером называется сила постоянного тока, текущего в каждом из двух параллельных бесконечно длинных бесконечно малого кругового сечения проводников в вакууме на расстоянии 1 метр, и создающая силу взаимодействия между ними 2×10−7 ньютонов на каждый метр длины проводника.
Ампер назван в честь французского физика Андре Ампера.
Сила тока – это такая физическая величина, которая показывает скорость прохождения заряда q через S поперечное сечение проводника за одну секунду t.
Сила тока – пожалуй, одна из самых основополагающих характеристик электрического тока. Она обозначает заглавной буквой I латинского алфавита и равняется Δq разделить на Δt, где Δt – это время, в течение которого через сечение проводника протекает заряд Δq.
Кратные и дольные единицы
Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 А | декаампер | даА | daA | 10−1 А | дециампер | дА | dA |
| 102 А | гектоампер | гА | hA | 10−2 А | сантиампер | сА | cA |
| 103 А | килоампер | кА | kA | 10−3 А | миллиампер | мА | mA |
| 106 А | мегаампер | МА | MA | 10−6 А | микроампер | µA | |
| 109 А | гигаампер | ГА | GA | 10−9 А | наноампер | нА | nA |
| 1012 А | тераампер | ТА | TA | 10−12 А | пикоампер | пА | pA |
| 1015 А | петаампер | ПА | PA | 10−15 А | фемтоампер | фА | fA |
| 1018 А | эксаампер | ЭА | EA | 10−18 А | аттоампер | аА | aA |
| 1021 А | зеттаампер | ЗА | ZA | 10−21 А | зептоампер | зА | zA |
| 1024 А | йоттаампер | ИА | YA | 10−24 А | йоктоампер | иА | yA |
| применять не рекомендуется | |||||||
Физическое значение данного параметра состоит в следующем:
- Элементарные частицы постоянно текут по бесконечно тонким и длинным проводникам в одном направлении;
- Цепь находится в вакууме, и потенциалы расположены параллельно друг к другу с расстоянием в один метр;
- Сила притяжения или отталкивания между ними составляет 2*10-7 Ньютона.
На практике такие условия даже в лаборатории воспроизвести невозможно, поэтому для установления эталона и тарирования измерительных приборов специалисты мерили уровень взаимодействия, возникающий между двумя катушками с большим количеством проводов минимального сечения.
Связь с другими единицами СИ
Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то за одну секунду через поперечное сечение проходит заряд, равный 1 кулону.
Если конденсатор ёмкостью в 1 фарад заряжать током 1 ампер, то напряжение на обкладках будет возрастать на 1 вольт каждую секунду.
Сокращённое русское обозначение а, международное А. Весьма малые токи (например, в радиолампах) измеряются в тысячных долях а — миллиамперах (ма или mА), а особо малые токи — в миллионных долях а — микроамперах (мка или μА). Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток, если он не ниже 0,5 ма. Ток в 50 ма опасен для жизни человека. Квартирный ввод рассчитывается на ток силой от 5 до 20 а; ток ламп накаливания мощностью 60 вт при напряжении 127 в имеет около 0,5 а.
Ампер-час — единица количества электричества, применяемая для измерения ёмкости аккумуляторов и гальванических элементов. Сокращённое русское обозначение а-ч, международное Аh. Один а-ч равен количеству электричества, проходящему через проводник в течение 1 часа при токе в 1 ампер. 1 а-ч = 3600 кулонам (основным единицам количества электричества).
Упрощенно электрический ток можно рассматривать как течение воды по трубе, то есть протекание электрических зарядов по проводу можно сопоставить с протекание воды по трубе. Так вот, по сути, скорость этой «воды», а именно скорость зарядов в проводе, она и будет прямым образом связана с силой тока. И чем быстрее «вода» течет по «трубе», а именно чем быстрее вместе все носители заряда двигаются по поводу, тем сила тока будет больше.
Как вы думаете, большая ли это сила тока в 1 ампер? Да, это большая сила тока, но на практике можно встретить различные силы тока: и миллиамперы, и микроамперы, и амперы, и килоамперы, и все они довольно разные.
В вашем браузере отключен Javascript.Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!
Не можешь написать работу сам?
Доверь её нашим специалистам
2 часамин. срок
Узнать стоимость
Ампер — это… Что такое Ампер?
Ампе́р (обозначение: А) — 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].
Определение
Современное определение ампера было предложено Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принято IX Генеральной конференцией по мерам и весам в 1948 году[2][3].
- Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10 −7ньютона.
Иллюстрация к определению ампера.Из определения ампера следует, что магнитная постоянная равна Гн/ м или, что то же самое, Н/А² точно. Это утверждение становится понятным, если учесть, что сила взаимодействия двух расположенных на расстоянии друг от друга параллельных проводников единичной длины, по которым текут токи и , выражается соотношением:
Магнитодвижущая сила 1 ампер (ампер-виток) — это такая магнитодвижущая сила, которую создает замкнутый контур, по которому протекает ток, равный 1 амперу.
История и перспективы
Единица измерения, принятая на 1-м Международном конгрессе электриков[4] (1881 г., Париж), названа в честь французского физика Андре Ампера. Она была первоначально определёна 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).
В 2011 г. XXIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла резолюцию[5], в которой предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) продолжить переопределение основных единиц таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов.
В частности, предполагается, что СИ станет системой единиц, в которой элементарный электрический заряд e равен 1,602 17X·10−19 Кл точно[6]. Результатом этого явится отмена ныне действующего определения ампера и принятие нового. Величина ампера будет установлена в соответствии с новым точным значением элементарного электрического заряда, выраженным в c .А.
Кратные и дольные единицы
Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 А | декаампер | даА | daA | 10−1 А | дециампер | дА | dA |
| 102 А | гектоампер | гА | hA | 10−2 А | сантиампер | сА | cA |
| 103 А | килоампер | кА | kA | 10−3 А | миллиампер | мА | mA |
| 106 А | мегаампер | МА | MA | 10−6 А | микроампер | мкА | µA |
| 109 А | гигаампер | ГА | GA | 10−9 А | наноампер | нА | nA |
| 10 | тераампер | ТА | TA | 10−12 А | пикоампер | пА | pA |
| 1015 А | петаампер | ПА | PA | 10−15 А | фемтоампер | фА | fA |
| 1018 А | эксаампер | ЭА | EA | 10−18 А | аттоампер | аА | aA |
| 1021 А | зеттаампер | ЗА | ZA | 10−21 А | зептоампер | зА | zA |
| 1024 А | йоттаампер | ИА | YA | 10−24 А | йоктоампер | иА | yA |
| применять не рекомендуется | |||||||
Связь с другими единицами СИ
Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то за одну секунду через поперечное сечение проходит заряд, равный 1 кулону.
Если конденсатор ёмкостью в 1 фарад заряжать током 1 ампер, то напряжение на обкладках будет возрастать на 1 вольт каждую секунду.
См. также
Примечания
Литература
- Краткий словарь физических терминов / Сост. А. И. Болсун, рец. М. А. Ельяшевич. — Мн.: Вышэйшая школа, 1979. — С. 23-24. — 416 с. — 30 000 экз.
обозначение и определение силы тока, как расписать единицу измерения математическим способом
Традиционный 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
Имя 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.
Наиболее 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.
Электрическим 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
В 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
В 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:
160х10 -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.
160х10 -19 — один электрон в секунду;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:
- Сила тока. Так как сопротивление между точками входа и выхода — постоянная величина, по закону Ома высокое напряжение делает вероятным высокий ампераж.
- Маршрут протекания. Наиболее опасны для сердечной мышцы направления рука-рука и передняя-задняя части грудной клетки.
- Индивидуальная чувствительность к воздействию электричества и особенности организма (сопротивление кожи и её влажность, возраст и пол, заболевания, наличие медицинских имплантов).
- Продолжительность воздействия.
Сила тока. Так как сопротивление между точками входа и выхода — постоянная величина, по закону Ома высокое напряжение делает вероятным высокий ампераж.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:
- Амперметр 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.
- Для высокой точности измерений внутреннее сопротивление прибора должно быть настолько низким, насколько это возможно, чтобы не влиять на параметры цепи.
- Следует позаботиться о виде тока (AC или DC). В случае с постоянным обязательно обратить внимание на полярность.
- Диапазон измерений должен быть настолько большим, насколько это возможно без вреда для точности. Важно, чтобы неизмеряемое значение не оказалась за пределами шкалы.
Амперметр 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.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.
Ампер — Википедия
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.
Определение
Современное определение ампера было предложено Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принято IX Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1948 году[2][3].
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 2·10−7ньютона.
Иллюстрация к определению ампера.Из определения ампера следует, что магнитная постоянная μ0{\displaystyle \mu _{0}} равна 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}} Гн/ м или, что то же самое, 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 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 I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}}, приходящаяся на единицу длины, выражается соотношением:
- F=μ04π2I1I2d.{\displaystyle F={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}I_{2}}{d}}.}
Магнитодвижущая сила 1 ампер (ампер-виток) — это такая магнитодвижущая сила, которую создает замкнутый контур, по которому протекает ток, равный 1 амперу.
История и перспективы
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).
В 2011 г. XXIV ГКМВ приняла резолюцию[5], в которой предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) продолжить переопределение основных единиц таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов.
В частности, предполагается, что СИ станет системой единиц, в которой элементарный электрический заряд e равен 1,602 17X·10−19 Кл точно[6]. Результатом этого явится отмена ныне действующего определения ампера и принятие нового. Величина ампера будет установлена в соответствии с новым точным значением элементарного электрического заряда, выраженным в c·А. В связи с этим в резолюции XXIV ГКМВ по поводу ампера сформулировано следующее положение[5]:
Ампер останется единицей силы электрического тока, но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения элементарного электрического заряда равным в точности 1,602 17X·10−19, когда он выражен единицей СИ c·А, что эквивалентно Кл.
XXV ГКМВ, состоявшаяся в 2014 году, приняла решение продолжить работу по подготовке новой ревизии СИ, включающей переопределение ампера, и наметила закончить эту работу к 2018 году с тем, чтобы заменить существующую СИ обновлённым вариантом на XXVI ГКМВ в том же году[7].
Кратные и дольные единицы
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[2]. «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», принятое Правительством Российской Федерации, предусматривает использование в России тех же приставок[8].
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 А | декаампер | даА | daA | 10−1 А | дециампер | дА | dA |
| 102 А | гектоампер | гА | hA | 10−2 А | сантиампер | сА | cA |
| 103 А | килоампер | кА | kA | 10−3 А | миллиампер | мА | mA |
| 106 А | мегаампер | МА | MA | 10−6 А | микроампер | мкА | µA |
| 109 А | гигаампер | ГА | GA | 10−9 А | наноампер | нА | nA |
| 1012 А | тераампер | ТА | TA | 10−12 А | пикоампер | пА | pA |
| 1015 А | петаампер | ПА | PA | 10−15 А | фемтоампер | фА | fA |
| 1018 А | эксаампер | ЭА | EA | 10−18 А | аттоампер | аА | aA |
| 1021 А | зеттаампер | ЗА | ZA | 10−21 А | зептоампер | зА | zA |
| 1024 А | иоттаампер | ИА | YA | 10−24 А | иоктоампер | иА | yA |
| применять не рекомендуется | |||||||
Связь с другими единицами СИ
Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то за одну секунду через поперечное сечение проходит заряд, равный 1 кулону.
Если конденсатор ёмкостью в 1 фарад заряжать током 1 ампер, то напряжение на обкладках будет возрастать на 1 вольт каждую секунду.
См. также
Примечания
Литература
- Краткий словарь физических терминов / Сост. А. И. Болсун, рец. М. А. Ельяшевич. — Мн.: Вышэйшая школа, 1979. — С. 23-24. — 416 с. — 30 000 экз.
Кулон — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Куло́н (русское обозначение: Кл; международное: C) — единица измерения электрического заряда (количества электричества), а также потока электрической индукции (потока электрического смещения) в Международной системе единиц (СИ)[1]; когерентная производная единица СИ, имеющая специальные наименование и обозначение[2].
В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы кулон не в начале предложения пишется со строчной буквы, а её обозначение — всегда с заглавной. Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях других производных единиц, образованных с использованием кулона[3]. Например, обозначение единицы измерения электрического смещения «кулон на квадратный метр» записывается как Кл/м2.
Кулон — это величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 А за время 1 с. Через основные единицы СИ кулон выражается соотношением вида:
- 1 Кл = 1 А·с.
С внесистемной единицей ампер-час кулон связан равенством:
- 1 Кл = 1/3600 ампер-часа[4].
Элементарный электрический заряд (с точностью до знака равный заряду электрона) составляет 1,602 176 6208(98)⋅10−19 Кл[5][6]. Заряд 6,24151⋅1018 электронов равен −1 Кл.
Впервые в качестве единицы измерения электрического заряда кулон был принят на 1-м Международном конгрессе электриков[7] (1881 г., Париж). Названа в честь французского физика и инженера Шарля Кулона[8]. В 1946 году Международный комитет мер и весов (CIPM) принял современное определение кулона[9]. В Международную систему единиц (СИ) кулон введён решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году одновременно с принятием СИ в целом[10].
Образуются с помощью стандартных приставок СИ.
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 Кл | декакулон | даКл | daC | 10−1 Кл | децикулон | дКл | dC |
| 102 Кл | гектокулон | гКл | hC | 10−2 Кл | сантикулон | сКл | cC |
| 103 Кл | килокулон | кКл | kC | 10−3 Кл | милликулон | мКл | mC |
| 106 Кл | мегакулон | МКл | MC | 10−6 Кл | микрокулон | мкКл | µC |
| 109 Кл | гигакулон | ГКл | GC | 10−9 Кл | нанокулон | нКл | nC |
| 1012 Кл | теракулон | ТКл | TC | 10−12 Кл | пикокулон | пКл | pC |
| 1015 Кл | петакулон | ПКл | PC | 10−15 Кл | фемтокулон | фКл | fC |
| 1018 Кл | эксакулон | ЭКл | EC | 10−18 Кл | аттокулон | аКл | aC |
| 1021 Кл | зеттакулон | ЗКл | ZC | 10−21 Кл | зептокулон | зКл | zC |
| 1024 Кл | иоттакулон | ИКл | YC | 10−24 Кл | иоктокулон | иКл | yC |
| применять не рекомендуется | |||||||
Ампер Википедия
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.
Определение
16 ноября 2018 года на XXVI Генеральной конференции мер и весов было принято новое 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 ΔνCs{\displaystyle \Delta \nu _{\mathrm {Cs} }}[3].
История
Происхождение
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
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
Определение ампера, предложенное Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принятое IX Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1948 году, гласит[5][6]:
Иллюстрация к определению ампера 1948 года.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⋅10−7ньютона.
Таким образом, фактически было возвращено изначальное определение.
Из определения ампера следует, что магнитная постоянная μ0{\displaystyle \mu _{0}} равна 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}} Гн/ м или, что то же самое, 4π×10−7{\displaystyle 4\pi \times 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 I1{\displaystyle I_{1}} и I2{\displaystyle I_{2}}, приходящаяся на единицу длины, выражается соотношением:
- F=μ04π2I1I2d.{\displaystyle F={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {2I_{1}I_{2}}{d}}.}
Магнитодвижущая сила 1 ампер (ампер-виток) — это такая магнитодвижущая сила, которую создаёт замкнутый контур, по которому протекает ток, равный 1 амперу.
Определение 2018 года
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
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 | ||
| 101 А | декаампер | даА | daA | 10−1 А | дециампер | дА | dA |
| 102 А | гектоампер | гА | hA | 10−2 А | сантиампер | сА | cA |
| 103 А | килоампер | кА | kA | 10−3 А | миллиампер | мА | mA |
| 106 А | мегаампер | МА | MA | 10−6 А | микроампер | мкА | µA |
| 109 А | гигаампер | ГА | GA | 10−9 А | наноампер | нА | nA |
| 1012 А | тераампер | ТА | TA | 10−12 А | пикоампер | пА | pA |
| 1015 А | петаампер | ПА | PA | 10−15 А | фемтоампер | фА | fA |
| 1018 А | эксаампер | ЭА | EA | 10−18 А | аттоампер | аА | aA |
| 1021 А | зеттаампер | ЗА | ZA | 10−21 А | зептоампер | зА | zA |
| 1024 А | иоттаампер | ИА | YA | 10−24 А | иоктоампер | иА | yA |
| применять не рекомендуется | |||||||
Связь с другими единицами СИ
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.
См. также
Примечания
- ↑ Магнитодвижущая сила (неопр.). Большая советская энциклопедия. Архивировано 21 августа 2011 года.
- ↑ Le Système international d’unités (SI) / The International System of Units (SI). — BIPM, 2019. — P. 20, 132. — ISBN 978-92-822-2272-0.
- ↑ ΔνCs{\displaystyle \Delta \nu _{\mathrm {Cs} }} — частота излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
- ↑ History of the ampere, Sizes, <http://www.sizes.com/units/ampHist.htm>
- ↑ 1 2 The SI brochure Описание СИ на сайте Международного бюро мер и весов.
- ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Основные единицы Международной системы единиц (СИ) (неопр.) (недоступная ссылка). Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Росстандарт. Дата обращения 28 февраля 2018. Архивировано 18 сентября 2017 года.
- ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 28 декабря 2014. Архивировано 5 марта 2016 года.
- ↑ Bodanis, David (2005), Electric Universe, New York: Three Rivers Press, ISBN 978-0-307-33598-2
Литература
- Краткий словарь физических терминов / Сост. А. И. Болсун, рец. М. А. Ельяшевич. — Мн.: Вышэйшая школа, 1979. — С. 23—24. — 416 с. — 30 000 экз.