Что такое ампер?

Ампер — это общепринятая единица измерения силы электрического тока. Такое название было дано в честь французского физика Андре-Мари Ампера, который внес значительный вклад в развитие электромагнетизма. Еще в начале XIX века он открыл электрическое поле и детально описал его свойства, выведя закон Ампера.

Наряду с такими распространенными показателями, как метр, килограмм и секунда, ампер входит в перечень основных, то есть непроизводных единиц Международной системы СИ. В этой статье мы познакомимся с понятием ампера и определим его значение в науке и технике.

Определение ампера

По современной трактовке, скорректированной в 2019 году, ампер определяется через элементарные электрические заряды. Это базовая физическая константа, которая приблизительно равна 1,6 * 10^-19 кулонам. Она показывает, заряд какой величины несет в себе один электрон или протон. Сила тока, равная одному амперу, означает, что 10¹⁹ элементарных зарядов перемещаются по проводнику каждые 1,6 секунды. Иными словами, при силе тока один ампер по проводнику каждую секунду проходит ~6,2 * 10¹⁸ элементарных зарядов.

Открытие ампера

Предпосылкой к открытию ампера стали эксперименты датского ученого Ганса Кристиана Эрстеда. Он обнаружил, что при приближении компаса к проводнику с электрическим током его стрелка отклоняется, и вывел связь между электричеством и магнетизмом. Андре-Мари Ампер, в свою очередь, определил, что параллельные проводники притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления тока. На основании наблюдений он описал силу, с которой проводники взаимодействуют друг с другом и электромагнитным полем. Впоследствии это взаимодействие назвали законом Ампера.

Первоначально понятие ампер было введено на Международной выставке электричества, проходившей в 1881 году в Париже. Так стали называть силу тока, которая создает силу взаимодействия (притяжения или отталкивания) в две дины на сантиметр длины между двумя параллельными проводниками, находящимися в сантиметре друг от друга. Дина — это единица измерения силы в системе СГС (сантиметр-грамм- секунда). Сила в одну дину придает телу массой 1 грамм ускорение 1 сантиметр в секунду в квадрате. В системе СИ она эквивалентна 10^-5 Ньютонам.

Значение открытия ампера

Открытие ампера стало существенным вкладом в стандартизацию единиц измерения электричества. Инженеры получили возможность проводить расчеты с высокой степенью точности, что положило начало бурному развитию электроэнергетики. Среди значимых результатов этого открытия можно отметить:

• создание первых электросетей;
• разработку глобальной телефонной и телеграфной связи;
• появление продвинутой аудио-, фото- и видеоаппаратуры;
• развитие транспортных средств и систем общественного транспорта.

Как менялось представление об определении ампера?

Еще в конце XIX века был введен термин «международный ампер», который имел определение, отраженное на практике с помощью серебряного вольтметра. Положительный вывод (анод) погружался в нитрат серебра, и при прохождении тока серебро скапливалось на отрицательном выводе (катоде). При силе тока в один ампер масса катода увеличивалась на 0,001118, или 1,118 * 10^-3 грамма.

Впоследствии ученые XX века определили, что такой способ измерения дает погрешность 0,015%. Тогда они скорректировали понятие ампера, представив новую формулировку. Если в идеальных условиях между двумя бесконечными проводниками, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга, возникает сила взаимодействия, равная 2*10^-7 ньютонам на метр длины, сила электрического тока составляет один ампер. Именно в таком виде ампер был интегрирован в систему СИ в качестве одной из основных единиц измерения.

Современное определение ампера, привязанное к элементарным зарядам, не изменило суть этого понятия, но позволило проводить расчеты с впечатляющей точностью. На первый взгляд такая точность может показаться избыточной, однако в действительности она имеет важное значение для моделирования сложных устройств будущего, таких как квантовые компьютеры.

Кратные и дольные единицы ампера

По аналогии с другими единицами СИ амперы также можно выразить в кратных или дольных единицах, которые выводятся с помощью умножения на 10 в положительной или отрицательной степени (10^-30 – 10³⁰). На практике чаще всего используются 6 единиц ампера с префиксами:

• наноампер (нА) — 10^-9 А;
• микроампер (мкА) — 10^-6 А;
• миллиампер (мА) — 10^-3 А;
• килоампер (кА) — 10³ А;
• мегаампер (МА) — 10⁶ А;
• гигаампер (ГА) — 10⁹ А.

Связь ампера с другими единицами СИ

Наиболее популярной связью ампера с другими единицами СИ является закон Ома, знакомый читателям со школьной программы. Он гласит, что сила тока (I) прямо пропорциональна разности потенциалов на концах проводника (U), а константой пропорциональности является сопротивление проводника (R). Из этого выводятся 3 формулы:

• I = U / R;
• U = I * R;
• R = U / I.

Сравнение ампера с другими электрическими единицами

С помощью ампера выводится несколько производных электрических единиц. Среди наиболее распространенных из них:

• электрический заряд — свойство вещества, определяющее способ его взаимодействия с электромагнитным полем. Измеряется в кулонах — Кл = А*с;
• электрическая емкость — способность материального объекта накапливать и отдавать электрический заряд. Измеряется в фарадах — Ф = (с⁴ * А²) / (м² * кг);
• электрическая индуктивность — способность проводника препятствовать изменению тока в зависимости от напряженности магнитного поля. Измеряется в генри — Гн = (кг * м²) / (А² * с²);
• электрическая проводимость — понятие, противоположное сопротивлению. Определяет способность объекта проводить ток под воздействием электрического поля. Измеряется в сименсах — См = (А² * с³) / (кг * м²).

С небольшими поправками ампер используется учеными и инженерами уже более 150 лет. Это не просто теоретический количественный показатель — от точности расчетов зависит правильное функционирование любых электронных устройств и электрических систем. Уточнение определения ампера и ряда смежных единиц послужило вкладом в будущее энергетики, медицины, информационных технологий и науки в целом.

Изображение на обложке: Freepik