Tradiční symbol I pochází z francouzského výrazu intensité du courant, což v ruštině znamená „síla proudu“. Tato fráze se často používá ve starých textech. V moderní praxi se často zkracuje na slovo „aktuální“. Označení I poprvé použil sám André-Marie Ampère, po kterém byla pojmenována jednotka elektrického proudu a jím vyvinutý zákon.
Velký vědec
Jméno André-Marie Ampère je zvěčněno mezi jmény dalších 72 vědců v přízemí Eiffelovy věže. Jeho příspěvky k vědě položily základ pro pochopení jevů elektromagnetismu. Přestože André-Marie nebyl prvním člověkem, který objevil souvislost mezi elektřinou a magnetismem, byl prvním, kdo se pokusil teoreticky vysvětlit a demonstrovat, jak je souvislost mezi těmito jevy popsána v matematických výrazech. Ampere pomocí zařízení svého vlastního vynálezu dokázal změřit proud a nejen zaznamenat jeho přítomnost.
Vědec se narodil v Lyonu v roce 1775 a byl současníkem francouzské revoluce. Jako syn obchodníka a úředníka projevoval od útlého věku vášeň pro matematiku a jako teenager četl složitá pojednání Eulera a Lagrange. V roce 1809 získal místo profesora matematiky na pařížské polytechnické škole a v roce 1814 byl zvolen členem Akademie věd. Ačkoli Andre-Marie učil matematiku, jeho zájmy se rozšířily do mnoha oblastí, včetně chemie a fyziky.
Amperův nejvýznamnější dokument o teorii elektřiny byl zveřejněn v roce 1826. Teoretické základy uvedené v této práci se staly základem pro další objevy v oblasti elektřiny a magnetismu. Po získání slávy a uznání ve vysoce respektovaných akademiích a vědeckých organizacích po celém světě se Ampère vyhýbal publicitě a cítil se šťastný pouze ve skromné laboratoři v Paříži.
Přes jeho úspěchy a místo ve společnosti byl osud vědce docela tragický. V roce 1793 byl jeho otec za své politické přesvědčení popraven gilotinou. Tato událost způsobila, že Andre-Marie upadl do hluboké deprese a téměř ho dohnala k šílenství. První žena zemřela brzy po dlouhé nemoci, druhé manželství bylo neúspěšné a nešťastné. Ampère sám zemřel v roce 1836 na zápal plic v Marseille a byl pohřben na hřbitově Montmartre v Paříži.
Elektrický proud
Elektřina je forma energie založená na přítomnosti elektrických nábojů ve hmotě. Veškerá hmota se skládá z atomů a atomy obsahují nabité částice. Každý proton v atomovém jádře obsahuje jednu jednotku kladného elektrického náboje a každý elektron obíhající kolem jádra nese jednu jednotku záporného náboje. Elektrické jevy nastanou, když elektrony opustí atomy: ztráta jednoho nebo více z nich změní atom na kladně nabitý iont. Všechny jevy vyskytující se s náboji lze rozdělit do dvou hlavních kategorií:
- statická elektřina;
- elektřina.
První termín popisuje chování nábojů v klidu. Takové jevy dobře ilustrují zelektrizované vlasy – budou se navzájem odpuzovat, protože mají stejný náboj.
Elektrický proud má co do činění s chováním nábojů v pohybu. Aby se mohly nepřetržitě pohybovat, je potřeba jim zajistit volnou trasu. Dráha pro náboje se nazývá elektrický obvod. Nejjednodušší elektrický obvod se obvykle skládá z následujících prvků:
- zdroj;
- zatížení;
- spojovací vodiče.
Elektrický proud je jakýkoli pohyb nosičů elektrického náboje: subatomární částice (elektrony nebo protony), ionty (atomy, které ztratily nebo získaly elektrony) nebo kvazičástice (díry v polovodičích, které lze považovat za kladně nabité nosiče).
Proud ve vodiči je pohyb elektronů v jednom směru (konstantní) nebo s periodickými změnami směru pohybu (střídavý). V plynech a kapalinách se skládá z toku kladných iontů v jednom směru spolu s tokem záporných iontů v opačném směru. Existují i další jeho typy, například svazky protonů, pozitronů nebo jiných nabitých mionů v urychlovačích částic.
Existuje určitá kontroverze ohledně obecně přijímaného směru proudu, jehož základ byl položen před více než dvěma stoletími. Protože elektrony v té době ještě nebyly objeveny, vědci předpokládali, že pohybující se částice nesou kladný náboj. Na tradici označování směru proudu jako směru pohybu kladných částic se nezapomnělo ani nyní, i když ve vodičích jsou nosiči náboje elektrony.
Jednotka a definice
Nejdůležitější charakteristikou pro popisované jevy je kvantitativní měření toku nabitých částic. Tento indikátor se nazývá proudová síla, jeho měrnou jednotkou je ampér (označený A). Číselně se 1 ampér rovná jednotkovému náboji (1 coulomb), který projde bodem v obvodu za jednotku času (1 sekunda). A lze tedy považovat za rychlost proudění I=Q/T, která má pro náboj stejný význam jako rychlost pro fyzická tělesa. Široce se používají následující vícenásobné jednotky:
- 10 −6 A – mikroampér μA;
- 10 −3 A – miliampér mA;
- 10 3 A – kiloampér kA.
Vývoj standardu
Jako uznání základní práce velkého fyzika André-Marie Ampère byl název ampér přijat jako elektrická jednotka měření mezinárodní konvencí v roce 1881. Podle mezinárodní definice z roku 1883 byl 1 ampér proud schopný uvolnit 0,001118000 gramů stříbra za sekundu při průchodu roztokem dusičnanu stříbrného. Pozdější měření ukázala, že akceptovaný ekvivalent byl 0,99985 A, takže způsoby, jak popsat ampéry prostřednictvím jevů elektrolýzy, nakonec přestaly vyhovovat kvůli zvyšujícím se nárokům na přesnost.
Od roku 1948 je A (ampér) definován v Mezinárodní soustavě jednotek jako konstantní proud tekoucí dvěma paralelními vodiči nekonečné délky a zanedbatelného průřezu, umístěnými jeden metr od sebe ve vakuu a vytvářejícími mezi nimi stejnou interakční sílu. na 2 x 10 – 7 newtonů na metr délky. Tato definice je založena na jevu elektromagnetismu, který spojuje metr, kilogram a elektrické jednotky magnetické konstanty (1.25663706×10 -6 m kg s -2 A -2).
Implementace takové normy je založena na provozu složitých elektromechanických zařízení. Jejich přesnost je omezena na části na milion, což je pro moderní potřeby nedostatečné. Tento problém s klasickou definicí ampéru vedl k nové praktické implementaci. V souladu s ní jsou všechny elektrické jednotky považovány za deriváty elektrických kvantových standardů založených na Josephsonově jevu a kvantovém Hallově jevu. Taková vazba umožňuje reprodukovat jednotku s přesností dílů na miliardu.
Budoucí množství v SI
V roce 2005 zahájil Mezinárodní výbor pro váhy a míry první přípravy na předefinování jednotek SI tak, aby je spojil s přirozenými konstantami. V souladu s tímto pohledem na normy budou ampéry určeny počítáním jednotlivých částic s elementárním nábojem e. Na základě rozhodnutí z roku 2014 vstoupí revize v platnost v roce 2018.
Elegantní implementace nové definice A je teoreticky možná pomocí jednoelektronových čerpadel produkujících elektrický proud prostřednictvím synchronizovaného, řízeného transportu jednotlivých elektronů. Některé mezinárodní výzkumy v tomto směru jsou již blízko k dosažení tak ambiciózního cíle.
Expozice člověka
Ve většině případů je elektrický proud tok elektronů. Protože ampér je mírou množství náboje procházejícího za sekundu, nebude obtížné vypočítat počet elektronů v přeneseném náboji: 1 C = 6,24151 10 18. To znamená, že jeden ampér se rovná průtoku 6340 kvadrilionů částic za sekundu. Toto je kolosální údaj, ale je stěží ilustrativní pro srovnávací pochopení, když se něco měří v ampérech. Následující každodenní příklady vám pomohou:
- 160×10-19 – jeden elektron za sekundu;
- 0,7×10 -3 – sluchadlo;
- 5×10 -3 – paprsek v TV obrazovce;
- 150×10 -3 – přenosný LCD televizor;
- 0,2 – elektrický úhoř;
- 0,3 – žárovka;
- 10 — toustovač, varná konvice;
- 100 – startér automobilu;
- 30×10 3 – úder blesku;
- 180×10 3 – oblouková pec na feroslitiny;
- 5×10 6 – oblouk mezi Jupiterem a Io.
Hranice pro smrtelné účinky na lidské tělo začíná na 18 mA. Proud překračující tuto hodnotu a procházející hrudníkem může stimulovat hrudní svaly tak, že jejich křeče mohou způsobit úplné zastavení dechu. Další nebezpečný účinek s takovou expozicí je spojen s fibrilací srdečních komor. Hlavní faktory úmrtnosti:
- Síla proudu. Vzhledem k tomu, že odpor mezi vstupním a výstupním bodem je konstantní, podle Ohmova zákona je vysoké napětí pravděpodobně vysoké.
- Trasa toku. Nejnebezpečnější směry pro srdeční sval jsou paže-paže a předozadní část hrudníku.
- Individuální citlivost na účinky elektřiny a vlastnosti těla (odolnost kůže a její vlhkost, věk a pohlaví, nemoci, přítomnost lékařských implantátů).
- Doba expozice.
Velký vliv na závažnost úrazu elektrickým proudem má také nemožnost pustit zdroj. Za předpokladu, že prsty osoby drží některý z živých kontaktů, mnoho dospělých nemůže uvolnit zdroj, když protéká stejnosměrný proud menší než 6 mA. Při 22 mA to nebude možné pro všechny lidi. 10 mA pro člověka ve vodě stačí k úplné ztrátě kontroly svalů.
Praktická měření
Počítat počet elektronů ve vodiči se stopkami v ruce je prakticky nemožné, proto se proud měří speciálními přístroji (ampérmetry) nebo nepřímými výpočty. Ampérmetry jsou konstruovány tak, že reagují na magnetické pole vytvářené měřeným proudem. Existují různé typy takových měřicích přístrojů, ale všechny jsou založeny na stejném principu. Obecná pravidla pro měření síly proudu lze zredukovat na následující seznam:
- Ampérmetr je vždy zapojen do série se zátěží, při měření musí zařízením protékat proud. Paralelní připojení zařízení může vést k tomu, že v něm protéká příliš velký proud, což může způsobit jeho poruchu.
- Pro vysokou přesnost měření by měl být vnitřní odpor zařízení co nejnižší, aby neovlivňoval parametry obvodu.
- Je třeba věnovat pozornost určení typu proudu (AC nebo DC). V případě stálého dávejte pozor na polaritu.
- Rozsah měření by měl být co největší, aniž by byla ohrožena přesnost. Je důležité, aby se nenaměřená hodnota nedostala mimo stupnici.
Mohou nastat případy, kdy obvod nelze otevřít pro měření nebo je požadované místo v obvodu obtížně dostupné. V takových situacích lze měření provádět nepřímo. Určením úbytku napětí na rezistoru můžete použít Ohmův zákon k určení proudu. Je vhodné provádět nepřímá měření multimetrem – zařízením, které kombinuje funkce ohmmetru, voltmetru a ampérmetru.
V situacích, kdy je proud příliš vysoký na to, aby jej bylo možné měřit běžným měřičem, se používá bočník. Nejlevnější a nejjednodušší je k sekci paralelně připojit odpor s ohmmetrem. Použití proudového transformátoru pro měření přidává důležitou výhodu vytvoření galvanické izolace mezi měřicím přístrojem a obvodem, ve kterém je měřen proud. Ale v tomto případě je analýza možná pouze pro střídavý proud.
Měření proudu na reálných obvodech se provádějí ve většině případů pro dva účely. Hlavním úkolem měření je kontrola výživy. Druhou funkcí proudové analýzy je detekce poruch nebo nadměrného proudu.
Výběr správné technologie snímání je zásadní pro zajištění toho, aby součásti monitorovacího zařízení mohly správně fungovat ve špičkách a v nouzových podmínkách. Moderní rozvoj digitální a výpočetní techniky výrazně rozšířil možnosti přesného měření a studia proudů nepřímými metodami a polovodičové technologie blízké budoucnosti slibují dávkování elektřiny s přesností na jeden náboj.
Zesilovače měří sílu konstantního elektrického proudu, který prochází dvěma přímými paralelními vodiči. Jsou umístěny ve vakuovém prostoru ve vzdálenosti 1 metru od sebe, proud působí na úseky vodičů určitou interakční sílu. Jednotkou měření ampér je magnetomotorická síla, která vytváří uzavřený okruh, ve kterém proudí tok elektřiny. Množství je zahrnuto do sedmi základních jednotek SI.
Historické pozadí
Ampere je měrná jednotka přijatá v Paříži na prvním mezinárodním kongresu elektrikářů v roce 1881. Množství dostalo své jméno na počest slavného fyzika Andre Ampere. V té době existovala jednotka, která sloužila jako definice elektřiny ve dvou dynech mezi dvěma vodiči. Jsou umístěny ve vzdálenosti 1 cm od sebe. Dnes se této hodnotě říká bio- nebo abamper.
Generální konference pro váhy a míry v roce 2011 rozhodla, že základní ukazatele měření budou nově definovány. Nyní, v mezinárodní soustavě jednotek, musí být běžně používané veličiny založeny na vlastnostech atomů nebo fyzikálních konstantách, spíše než na umělých artefaktech.
Současná charakteristika
Jak je formálně definováno Mezinárodním výborem pro váhy a míry, ampér je síla přímé elektřiny protékající tenkými, dlouhými vodiči. Musí být ve vakuu ve vzdálenosti jednoho metru.
Proud způsobuje interakci mezi vodiči, jehož síla se rovná součinu čísla 2 a 10 na mínus sedmou mocninu pro každý metrový úsek.
Ve skutečnosti je nemožné vytvořit takové podmínky, protože vodiče mají určitou délku a také průřez. Proto se velikost interakce zjistí pomocí cívek, na kterých je navinuto mnoho závitů drátu. Tato metoda byla použita pro výpočet standardní jednotky na stupnici elektrického proudu. Abychom určili, čemu se rovná 1 ampér, změřili jsme moment síly, který působil na cívku s nasměrovanými elektrony umístěnými v magnetickém poli.
V Ruské federaci je od roku 1992 ampérový standard určován pomocí Ohmova zákona nepřímo. Při tomto výpočtu je chyba poloviční. Síla proudu je také reprezentována jako rychlost změny náboje.
To znamená, že 1 ampér se rovná elektrické síle, při které projde určité množství elektřiny vodivým prvkem za sekundu – jeden coulomb.
Sílu proudu lze zjistit pomocí vzorce: poměr elektrického náboje k času. Označení použitých množství:
- I – indikátor elektřiny;
- q—nabíjení;
- t – období.
Amperův zákon
Francouzský vědec Ampere přispěl nejen ke vzhledu názvu jednotky měření, ale také ustanovil určitý fyzikální zákon. Určuje sílu vlivu rovnoměrného magnetického pole na vodič, který je v něm umístěn.
Jeho hodnota závisí přímo úměrně na délce proudovodného prvku. Závisí také na síle pohybu usměrněných elektronů proudících ve vodiči, vektoru magnetické indukce a sinusu úhlu mezi směrem prvního a druhého indikátoru.
Fyzikovi se podařilo stanovit podmínky pro interakci vodičů s elektrickým proudem. Jejich přitahování nebo odpuzování je určeno právě usměrněným pohybem elektronů. Můžete přesněji formulovat odpověď na otázku, čemu se rovná ampér. To je síla elektřiny, při které spolupůsobí paralelní metr dlouhé vodiče ve vakuu.
Může být charakterizován několika procesy:
- ohřívač přenáší elektřinu do 10 A;
- bleskový kanál má sílu 500 kA;
- elektroforéza – 0,8 mA, s 1 mA = 0 A;
- zapnutá 100W lampa – 0A.
V každé části obvodu je indikátor proudu stejný, protože v uzavřené smyčce proteče průřezem vodiče každou sekundu stejný počet elektronů. Hodnota indikátoru nezávisí na tloušťce vodivého prvku, protože náboje se nemohou hromadit v jedné oblasti.
Pokud vás zajímá, čemu se bude v budoucnu rovnat ampér, tak odpověď zazněla na posledním zasedání Generální konference. Velikost, stejně jako dříve, určí sílu proudu, ale musí záviset na nové definici elektrického náboje.
Kromě toho, co se měří v ampérech, potřebujete znát vztah veličiny s jinými jednotkami SI. Napětí na deskách se každou sekundu zvýší o jeden volt, pokud se kondenzátor s kapacitou 1 farad nabije jedním ampérem elektřiny. Když je proud ve vodiči roven 1 A, projde jeho průřezem každou sekundu elektrický náboj o velikosti jednoho coulombu. Navíc se tato veličina používá k měření rozdílu magnetického potenciálu a magnetomotorické síly.
