Амперы - это что такое

Ампер - основная единица измерения силы электрического тока. Эта величина широко используется в различных областях науки и техники. Давайте разберемся, что измеряют амперы, для чего они нужны и как применяются на практике.

История появления ампера

Единица ампер была введена на Первом международном конгрессе электриков, проходившем в 1881 году в Париже. Она была названа в честь французского ученого Андре Мари Ампера, который внес большой вклад в изучение электромагнетизма.

Ампер первоначально определялся 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 1893 году определение ампера было изменено и стало привязано к электрохимическому осаждению серебра. Однако позже выяснилось, что новое определение немного отличается от первоначального - примерно на 0,015%.

Современное определение ампера

В 1948 году на Генеральной конференции по мерам и весам было принято следующее определение ампера:

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.

Однако на практике создать условия, описанные в этом определении, невозможно. Поэтому с 1980-х годов для воспроизведения ампера стали использоваться квантовые эталоны, основанные на эффекте Джозефсона и квантовом эффекте Холла.

В 2018 году было утверждено новое определение ампера через фиксированное численное значение элементарного электрического заряда:

Ампер - это такая постоянная сила тока, которая, если ее поддерживать в двух параллельных проводниках бесконечной длины ничтожно малого круглого поперечного сечения, расположенных на расстоянии один метр друг от друга в вакууме, вызвала бы между этими проводниками силу в 2 × 10−7 ньютонов на каждый метр их длины.

Это определение позволило связать ампер с фундаментальными физическими константами, такими как постоянная Планка и элементарный заряд. При этом численное значение ампера не изменилось.

Как связан ампер с другими единицами

Ампер и кулон

Между ампером и кулоном существует прямая связь. Один ампер представляет собой такой ток, при котором за 1 секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд равный 1 кулону:

• 1 A = 1 Кл / 1 с
• Если ток I = 1 A, то за t = 1 c пройдет заряд Q = 1 Кл

Таким образом, зная силу тока в амперах и время его протекания, можно рассчитать величину перенесенного заряда в кулонах. И наоборот, измерив заряд в кулонах и время, можно определить силу тока в амперах, вызвавшую перенос этого заряда.

Ампер является производной единицей от вольта и ома согласно закону Ома:

• I = U / R
• где I - сила тока в амперах, U - напряжение в вольтах, R - сопротивление в омах

То есть при напряжении 1 вольт и сопротивлении 1 ом сила тока в цепи будет равна 1 амперу. Это соотношение широко используется при расчетах параметров электрических цепей.

Применение амперов для измерения емкости аккумуляторов

Одно из распространенных применений ампер - измерение емкости аккумуляторов. Емкость аккумулятора определяется максимальным зарядом в ампер-часах, который он может запасать и отдавать. Например, аккумулятор емкостью 100 ампер-часов может обеспечить ток разряда в 1 ампер в течение 100 часов.

Для проверки состояния автомобильного аккумулятора применяются специальные нагрузочные устройства - автоматы амперы. Они создают на аккумуляторе нагрузку определенной величины в амперах и позволяют оценить, насколько сильно при этом падает напряжение. Это дает информацию о степени заряженности и исправности аккумулятора.

Измерение больших токов

Для измерения очень больших токов, возникающих в мощных электроустановках или при коротких замыканиях, применяются специальные измерительные преобразователи. Они работают по принципу измерения магнитного поля, создаваемого током в специальной катушке. При сверхбольших токах допустимы значительные погрешности измерения.

Рекордное измерение - 8 миллионов ампер! - было выполнено в лаборатории Sandia National Laboratories (США) с использованием гигантской катушки Заманина. Получить столь огромный импульсный ток удалось при разряде мощных конденсаторных батарей.

Амперы и фарады

Соотношение между амперами, фарадами и вольтами играет важную роль при заряде конденсаторов. Согласно формуле:

• U = I * t / C
• где U - напряжение в вольтах, I - ток заряда в амперах, t - время заряда в секундах, С - емкость конденсатора в фарадах

Отсюда видно, что если заряжать конденсатор емкостью 1 фарад током 1 ампер, то напряжение на его обкладках будет возрастать со скоростью 1 вольт в секунду. Это свойство используется в импульсной технике для получения высоких напряжений.

Измерение ампер в быту

Для измерения силы тока, потребляемого бытовыми электроприборами, используются специальные приборы - амперметры. Простейшие амперметры представляют собой шунты, включаемые последовательно в цепь питания. Например, чтобы определить, какой ток потребляет лампа накаливания, достаточно подключить амперметр вместо лампы к розетке.

Самодельные амперметры

Несложный амперметр можно сделать своими руками. Для этого потребуется миллиамперметр, резисторы с малым сопротивлением и несколько деталей. В соответствии с законом Ома ток в цепи делится обратно пропорционально сопротивлениям. Поэтому шунтируя измерительный прибор резистором, можно расширить пределы измерения.

Амперы вокруг нас

Удивительно, но амперы присутствуют в нашей повседневной жизни повсюду. Холодильник потребляет около 1 ампера, лампа накаливания - до 2 ампер, чайник при нагреве - 8-10 ампер, плита - до 16 ампер. А вот современные гаджеты обходятся совсем малым током - смартфон заряжается от сети силой всего в 1 ампер.

Большие токи в промышленности

В промышленных установках токи достигают огромных значений в тысячи и даже миллионы ампер! Например, при электрической дуговой сварке используется ток 100-800 ампер, мощные электролизные ванны потребляют до 100 000 ампер. Рекордсменами являются плазменные установки термоядерного синтеза - в них ток разряда измеряется миллионами ампер.

Безопасность при измерении больших токов

Измерение очень больших токов требует строгого соблюдения мер безопасности. В цепях с силой тока в сотни и тысячи ампер любая неосторожность может привести к тяжелым последствиям.

Во-первых, необходимо использовать средства индивидуальной защиты - диэлектрические перчатки и боты, изолирующие подставки. Во-вторых, следует применять только специально предназначенные для этих целей измерительные преобразователи и датчики тока.

Поверка измерителей больших токов

Для того, чтобы гарантировать правильность показаний приборов для измерения больших значений тока, они должны регулярно поверяться государственными метрологическими институтами. Поверка заключается в пропускании через датчик тока точно известных значений и сравнении их с показаниями прибора.

Перспективы развития измерителей тока

Современные тенденции в области измерения больших токов связаны с созданием цифровых датчиков на основе эффекта Холла. Они обеспечивают высокую точность и позволяют легко интегрировать показания датчика в автоматизированные системы управления.

Роль человеческого фактора

Следует помнить, что какими бы технологичными ни были современные средства измерения тока, конечный результат во многом зависит от человека. Только компетентный специалист может грамотно выбрать методику измерения, установить датчики, обеспечить безопасные условия проведения работ.