Основное содержание
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, равнуюньютона.
Определение ампера вытекает из результатов эксперимента. Чтобы создать ток силой 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 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 .
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 электронов - это число Авогадро.
Один моль электронов составляет
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 | длина | |
килограмм | масса | |
секунда | время | |
ампер | сила тока | |
кельвин | температура | |
кандела | сила света | |
моль | 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 | заряд | ||
ватт | мощность | ||
вольт | напряжение (разность электрических потенциалов) | ||
Ом | сопротивление | ||
фарад | ёмкость | ||
генри | индуктивность | ||
герц | частота | ||
сименс | проводимость | ||
вебер | магнитный поток | ||
тесла | магнитная индукция |
Хотите присоединиться к обсуждению?
Пока нет ни одной записи.