Основное содержание
Электротехника
Course: Электротехника > Модуль 1
Урок 1: Подготовка к работеОпределение стандартных электрических единиц измерения
Формальные определения стандартных электрических единиц измерения: ампер, кулон, заряд электрона и вольт. Автор — Уилли МакАллистер.
Единицы измерения в электричестве определяются строго формально, и именно этим мы с вами сейчас и займёмся. Их определения вводятся в установленном порядке, и первым идёт определение ампера. Это единица измерения в системе СИ, и единственная единица измерения в электричестве, полученная экспериментальным путём.
После ампера вводятся понятия кулон и заряд электрона. Затем мы получаем остальные единицы — ватт, вольт и ом. Эти производные единицы измерения определяются через ампер и другие единицы СИ (метр, килограмм, секунда).
Ампер
Определение единицы измерения силы тока — ампера — получено в результате опытов по магнетизму. Текущий по проводу электрический ток порождает магнитное поле (закон Био — Савара — Лапласа, 1820). В свою очередь, эти магнитные поля порождают в проводниках магнитные силы (закон Ампера, 1825). Если по двум параллельным проводам пустить электрический ток, они будут взаимно воздействовать друг на друга. Официальное определение ампера в системе СИ до 2018 года выглядело следующим образом:
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, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2, times, 10, start superscript, minus, 7, end superscript ньютона.
Определение ампера вытекает из результатов эксперимента. Чтобы создать ток силой 1 ампер, необходимо произвести следующие действия. Возьмите два провода длиной 1 м каждый и установите их параллельно друг другу так, чтобы можно было измерять силу, с которой они друг на друга взаимодействуют (например, при помощи тензометрического датчика).
Пустите по обоим проводникам одинаковый ток в одном и том же направлении. Увеличивайте или уменьшайте ток, измеряя силу взаимодействия. Когда она станет равна 2, times, 10, start superscript, minus, 7, end superscript ньютонам, то по определению сила тока в проводниках будет равна 1 амперу. (Это концептуальный эксперимент. В современных лабораториях эталон ампера получают другими способами.)
Кулон
Кулон — единица измерения заряда в СИ. Величина кулона выводится из ампера. Один кулон определяется как количество заряда, проходящего через проводник при силе тока 1 ампер за 1 секунду.
или, что то же самое,
Заряд электрона
В 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал существование электрона. 12 лет спустя, в 1909 году Роберт Милликен начинает ставить опыты с каплей масла для вычисления заряда электрона.
Заряд электрона может быть выражен в кулонах как e, equals, minus, 1, comma, 602176565, times, 10, start superscript, minus, 19, end superscript, start text, К, л, end text.
Если мы преобразуем это выражение, мы увидим, что кулон можно выразить через количество зарядов электрона:
Вопросы для проверки
Сколько электронов в 1 ампере?
Сколько кулонов в 1 моле электронов?
Один моль электронов составляет 6, comma, 02214, times, 10, start superscript, 23, end superscript электронов - это число Авогадро.
Один моль электронов составляет 6, comma, 02214, times, 10, start superscript, 23, end superscript электронов - это число Авогадро.
Ватт
Ватт — единица измерения мощности. Мощность — это количество энергии, передаваемой или потребляемой за единицу времени. Мощность также может быть определена как скорость выполнения работы. В стандартном выражении ватт - это мощность, которая за одну секунду увеличивает значение энергии на 1 джоуль.
Вольт
Вольт — это единица изменения разности электрических потенциалов, также известной как напряжение. Напряжение в 1 вольт — это разность потенциалов на концах проводника, необходимая для выделения в нём теплоты мощностью в 1 ватт при силе протекающего через этот проводник постоянного тока в 1 ампер.
Вольт также можно выразить через энергию и заряд:
Интуитивно понятное описание напряжения можно найти в статье об основных электрических величинах. Кроме того, в разделе электростатики есть формальное объяснение значение напряжения.
Ом
Ом — единица измерения электрического сопротивления. Она определяется как сопротивление между двумя точками проводника, при котором напряжение в 1 вольт вызывает ток с силой 1 ампер.
Итак, мы определили базовый набор самых часто встречающихся электрических единиц измерения.
Системы единиц измерения
За последние 200 лет существовали три основные системы единиц измерения:
- СИ
- МКС
- СГС
СИ — это Международная система единиц, от французского Système International d'Unités. Это современный вариант метрической системы и наиболее широко используемая система измерения. Система была впервые опубликована в 1960 году после долгих дискуссий, длившихся с 1948 года. Система СИ основана на системе «метр-килограмм-секунда» (МКС). В США система СИ используется в науке, медицине, юридических дисциплинах, технологии и инженерии.
МКС основывается на измерении длины в метрах, массы — в килограммах, а времени — в секундах. Эта система в основном применяется в инженерии и начальной физике. Она была предложена в 1901 году. Наиболее часто встречающиеся единицы электричества и магнетизма - ом, фарад, кулон и т. д. — пришли к нам из системы МКС.
СГС основывается на измерении длины в сантиметрах, массы — в граммах, а времени — в секундах. Эта система была предложена в 1874 году. Система СГС часто используется в теоретической физике. Разница между СИ и СГС лежит гораздо глубже простого масштабирования единиц измерения.
В системе СИ семь базовых единиц.
Основные единицы СИ
| Название | Обозначение | Величина |
|---|---|---|
| метр | start text, м, end text | длина |
| килограмм | start text, к, г, end text | масса |
| секунда | start text, с, end text | время |
| ампер | start text, А, end text | сила тока |
| кельвин | start text, К, end text | температура |
| кандела | start text, к, д, end text | сила света |
| моль | start text, м, о, л, ь, end text | количество вещества |
Одна из основных единиц СИ относится к электричеству — это ампер. Ампер в этой системе стоит на почётном месте, рядом с метром, килограммом и секундой. Он определяется в результате прямого эксперимента, а не выражается через другие величины.
Производные единицы СИ, используемые в разделе Электричество
Все остальные электрические единицы измерения в СИ являются производными, они образованы с помощью комбинаций базовых единиц. Если ампер является первой электрической единицей, то остальные следуют сразу же за ним.
| Название | Обозначение | Величина | Связь с остальными единицами СИ |
|---|---|---|---|
| кулон | start text, К, л, end text | заряд | start text, А, end text, dot, start text, с, end text |
| ватт | start text, В, т, end text | мощность | start text, Д, end text, ж, slash, start text, с, end text |
| вольт | start text, В, end text | напряжение (разность электрических потенциалов) | start text, В, end text, т, slash, start text, А, end text |
| Ом | О, м, left parenthesis, \Omega, right parenthesis | сопротивление | start text, В, end text, slash, start text, A, end text |
| фарад | start text, Ф, end text | ёмкость | start text, C, end text, slash, start text, V, end text |
| генри | start text, Г, н, end text | индуктивность | start text, В, б, end text, slash, start text, A, end text |
| герц | start text, Г, ц, end text | частота | start text, с, end text, start superscript, minus, 1, end superscript |
| сименс | start text, С, м, end text | проводимость | start text, A, end text, slash, start text, В, end text или 1, slash, start text, О, м, end text, left parenthesis, \Omega, right parenthesis |
| вебер | start text, В, б, end text | магнитный поток | start text, В, end text, dot, start text, с, end text |
| тесла | start text, Т, л, end text | магнитная индукция | start text, В, б, end text, slash, start text, м, end text, squared |
Хотите присоединиться к обсуждению?
Пока нет ни одной записи.