Ампер
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]: магнитодвижущая сила 1 ампер (ампер-виток) — это такая магнитодвижущая сила, которую создаёт замкнутый контур, по которому протекает ток, равный 1 амперу. Кроме системы СИ, 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][3]:
Ампер, обозначение А (A), есть единица электрического тока в SI. Он определяется путем принятия фиксированного числового значения элементарного заряда e равным 1,602176634 × 10−19 при выражении в единице Кл, что соответствует А с, где секунда определяется через [math]\displaystyle{ \Delta \nu_\mathrm{Cs}. }[/math]
[math]\displaystyle{ \Delta \nu_{\mathrm{Cs}} }[/math] — частота излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133[4].
История
Происхождение
Единица измерения, предложенная на 1-м Международном конгрессе электриков[5] (1881 г., Париж) и принятая на Международном электрическом конгрессе (1893 г., Чикаго)[6], 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)[7].
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[5]. 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 октябре 1948 года, гласит[8][9][10]:
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.
Таким образом, фактически было возвращено изначальное определение.
Из этого определения ампера следовало, что магнитная постоянная [math]\displaystyle{ \mu_0 }[/math] равна [math]\displaystyle{ 4 \pi \times 10^{-7} }[/math] Гн/ м или, что то же самое, [math]\displaystyle{ 4 \pi \times 10^{-7} }[/math] Н/А² точно. Это утверждение становится понятным, если учесть, что сила взаимодействия двух расположенных на расстоянии [math]\displaystyle{ d }[/math] друг от друга бесконечных параллельных проводников, по которым текут токи [math]\displaystyle{ I_1 }[/math] и [math]\displaystyle{ I_2 }[/math], приходящаяся на единицу длины, выражается соотношением:
- [math]\displaystyle{ F = \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{2 I_1 I_2}{d}. }[/math]
После того, как в 1983 году было изменено определение метра (с 1960 года оно было привязано к длине волны определённого излучения атома криптона-86, а в 1983 стало определяться как расстояние, которое свет проходит за определённое время) и стало фиксированным (то есть точно определённым) значение скорости света c, фиксированным стало в результате и значение электрической постоянной ε0, поскольку ε0μ0 по определению равно 1/c2 [6]:
- [math]\displaystyle{ \varepsilon_0 = \frac{1}{4 \pi c^2} \times 10^{7} \text{м/Гн}= \frac{1}{4 \pi\times\ 299792458^2 \times 10^{-7}} }[/math] Ф/м ≈ 8,85418781762039 × 10−12 Ф·м−1.
Однако определение ампера, принятое в 1948 году, оказалось трудным для реализации, и в качестве практической реализации эталона ампера с 1980-х годов стали использоваться квантовые приборы, которые привязывали с помощью закона Ома ампер к вольту и ому (1 А = 1 В / 1 Ом), а те, в свою очередь, реализовывались с помощью эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла как определённые зависимости от постоянной Планка h и элементарного заряда e. Поэтому фиксация численных значений постоянной Планка (требуемая в первую очередь для переопределения килограмма) и элементарного заряда позволила ввести новое определение ампера, привязанное к значениям фундаментальных констант[6].
Определение 2019 года
В 2018 году на 26-й ГКМВ было принято и на следующий год вступило в силу нынешнее определение ампера (при этом старое определение ампера, действовавшее с 1948 года, отменено). Величина ампера не изменилась при смене определения. Однако изменение определения привело к тому, что указанные выше выражения для магнитной и электрической постоянных μ0 и ε0 перестали быть точными, а стали выполняться лишь численно (но с огромной точностью) и подлежат экспериментальному измерению. Относительная стандартная неопределённость μ0 и ε0 равна относительной стандартной неопределённости величины α (постоянной тонкой структуры), а именно 2,3 × 10−10 на момент принятия резолюции 2018 года[11].
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[9][12]. «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», принятое Правительством Российской Федерации, предусматривает использование в России тех же приставок[13].
| 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 |
| 1027 А | роннаампер | РА | RA | 10−27 А | ронтоампер | рА | rA |
| 1030 А | кветтаампер | КвА | QA | 10−30 А | квектоампер | квА | qA |
| рекомендовано к применению 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[14].
Разность потенциалов в 1 вольт на концах проводника с электрическим сопротивлением 1 ом создаёт в нём ток 1 ампер.
Если конденсатор ёмкостью в 1 фарад заряжать током 1 ампер, то напряжение на обкладках будет возрастать на 1 вольт каждую секунду.
Если изменять ток со скоростью 1 ампер в секунду в проводнике, имеющем индуктивность 1 генри, в нём создаётся ЭДС индукции, равная одному вольту.
См. также
Примечания
- ↑ Магнитодвижущая сила // Большая советская энциклопедия
- ↑ Le Système international d’unités (SI) / The International System of Units (SI). — BIPM, 2019. — P. 20, 132. — ISBN 978-92-822-2272-0.
- ↑ Брошюра СИ, 2019, с. 16, 84.
- ↑ ampere (A). www.npl.co.uk. Дата обращения: 21 мая 2019. Архивировано 20 января 2021 года.
- ↑ 5,0 5,1 History of the ampere, Sizes, 1 April 2014, <http://www.sizes.com/units/ampHist.htm>. Проверено 29 января 2017. Архивная копия от 20 октября 2016 на Wayback Machine
- ↑ 6,0 6,1 6,2 Брошюра СИ, 2019, с. 92—93.
- ↑ Kowalski, L, A short history of the SI units in electricity, Montclair, <http://alpha.montclair.edu/~kowalskiL/SI/SI_PAGE.HTML> Архивная копия от 29 апреля 2009 на Wayback Machine
- ↑ Брошюра СИ, 2019, с. 48.
- ↑ 9,0 9,1 The SI brochure Архивная копия от 26 апреля 2006 на Wayback Machine 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) (недоступная ссылка). Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Росстандарт. Дата обращения: 28 февраля 2018. Архивировано 18 сентября 2017 года.
- ↑ Брошюра СИ, 2019, с. 82—84.
- ↑ Брошюра СИ, 2019, с. 27.
- ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации (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.
- Международная система единиц (SI) : Брошюра СИ. — Изд. 9-е. — Росстандарт, 2019. — 100 с.
Ссылки
- The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty // physics.nist.gov
- NIST Definition of ampere and μ0 // physics.nist.gov
- Tutorial video explaining amperes and current // afrotechmods.com
