Физические величины

Работа силы в системе СИ

Выше уже было упомянуто, что концепции силы и энергии тесно связаны друг с другом. Эту связь наглядно можно выразить через работу. В физике работа — это величина, получаемая в результате произведения модуля силы, которая действует на тело в направлении его перемещения, на это самое перемещение. В математическом виде можно записать: A = F*l, где F — модель силы, l — расстояние, на которое переместилось тело в результате действия F.

В СИ сила в ньютонах измеряется, а расстояние в метрах, поэтому работа будет выражаться в Н*м. Однако эта величина имеет собственное название: джоуль (Дж), то есть она выражается в тех же единицах, что и энергия.

Определение силы тока

Силой тока — это физическая величина, равная электрическому заряду q, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

$$ I = {q\over t} $$

где I — сила тока, t — время (в системе СИ единицей времени является секунда).

За единицу измерения силы тока в международной системе единиц СИ принят ампер, получивший свое название в честь французского физика Андре-Мари Ампера (1775-1836 г.г.), который впервые сформулировал понятие силы тока. Сокращенное обозначение единицы пишется с заглавной буквы А.

Рис. 1. Портрет Андре-Мари Ампера

При силе тока в 1 А через поперечное сечение проводника за 1 с проходит электрический заряд величиной 1 К (кулон).

$$ = { \over } $$

Протекание электрического тока проявляется различных химических реакциях (в электролитах), в свечении или нагревании вещества, а также в магнитном взаимодействии проводников. Оказалось, что из всех известных проявлений тока только магнитное взаимодействие воспроизводится вместе с электрическим током всегда, при любых условиях, в любых средах и в вакууме.

По этой причине магнитное взаимодействие проводника с током было выбрано в системе СИ для определения силы тока ампера (А).

В системе СИ ампер является одной из семи основных единиц для физических величин, пользуясь которыми можно выразить все остальные единицы. Кроме ампера — это метр (м), килограмм (кг), секунда (с), моль (моль), температура (кельвин, К). Например, сила измеряется в ньютонах (Н), который равен:

$$ = { \over {* } } $$

Единицы измерения силы тока

По определению сила электрического тока I равна величине электрического заряда q, проходящего в единицу времени t, через поперечное сечение проводника:

$$ I={q\over t} $$

Единица измерения силы тока в системе СИ названа в честь французского физика Адре-Мари Ампера, внесшего огромный вклад в изучение электромагнитных явлений. В системе СИ эта единица является одной из семи основополагающих единиц измерения (метр, секунда, килограмм и др.).

Одно из открытий Ампера заключалось в обнаружении им силы взаимодействия между двумя проводниками, по которым идет электрический ток. На основании этого фундаментального факта в системе СИ величина тока в 1 А соответствует силе взаимодействия (отталкивания или притяжения) 0,0000002 H двух параллельных проводников, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга.

Кроме основной единицы измерения используются внесистемные единицы, которые могут быть как больше, так и меньше ампера:

• 1 мкА = 0,000001 А;
• 1 мА = 0,001 А;
• 1 кА = 1000 А.

Необходимо всегда помнить, что воздействие электрического тока представляет опасность для здоровья человека. Ток, величина которого превышает 0,05 А представляет собой смертельную опасность. При этом действие переменного тока существенно опаснее действия постоянного тока.

Международная система единиц и Ньютон

Под этим названием понимают систему мер и величин, которая кратко обозначается СИ (с франц. Système International). В ее основу положены 7 основных физических величин (ампер, кельвин, секунда, кандела, килограмм, метр и моль). СИ была принята в 1960 году, а в 1971 году в нее была добавлена последняя фундаментальная величина «моль».

В системе СИ единица измерения силы — ньютон. Под ним понимают такую категорию, которая, действуя на тело с массой 1 кг, ускоряет его движение на 1 м/с за каждую секунду времени. В русском языке принято обозначение ньютона , на латинице же оно записывается как .

Применение утвержденных в СИ приставок к основным единицам измерения позволяет получить их дробные или большие значения. Для силы это могут быть, например, мкН (микроньютон, 1 мкН = 10-6 Н), мН (миллиньютон, 1 мН = 10-3 Н) или кН (килоньютон, в ньютонах это 1000 Н).

Любопытно отметить, что ньютон не входит в число 7 фундаментальных единиц измерения силы в системе СИ, поэтому он является производной единицей. В частности, 1 = 1 [кг*м/с2], то есть он выражается через килограмм (масса), метр (расстояние) и секунду (время).

Повседневный Джоуль

Единица измерения величины силы в повседневной жизни — это:

• Энергия, необходимая для поднятия томата среднего размера на 1 метр (3 фута 3 дюйма). Предположим, масса помидора составляет приблизительно 100 г (3,5 унции).
• Энергия, выделяемая, когда тот же помидор падает на метр вниз.
• Энергия, необходимая для ускорения массы 1 кг за 1 м с-2 на расстояние 1 м.
• Тепло, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 0,24 ° С.
• Обычная энергия, выделяемая человеком в состоянии покоя, каждые 1/60 с (приблизительно 17 мс).
• Кинетическая энергия от 50 кг человек (0,2 м / с или 0,72 км / ч).
• Кинетическая энергия теннисного мяча 56 г, движущегося со скоростью 6 м / с (22 км / ч).
• Кинетическая энергия объекта с массой 1 кг движется при√2 ≈ 1,4 м / с.
• Количество электричества, необходимое для освещения 1 Вт светодиода в течение 1 с.

Так как джоуль также является ватт-секундой, а общая единица продажи электроэнергии домам — это кВт-ч (киловатт-час), то кВт-ч, таким образом, составляет 1000 Вт × 3600 с = 3,6 МДж (мегаджоуля).

Еще одна единица

Помимо ньютона, в СИ существует и более большая физическая единица измерения силы — килоньютон (кН). Он равняется 1000 Н. Например, тяговое усилие от класса Y в паровозе локомотива и тяга из F100 истребителя реактивного двигателя — оба около 130 кН.

Один килоньютон составляет 102,0 kgf или около 100 кг нагрузки.

1 кН=102 кг × 9,81 м / с2

Так, например, платформа, которая показывает его, оценивается в 321 кН (72000 фунтов F ), будет надежно поддерживать 32,100 кг (70800 фунтов) нагрузки. Эта единица используется в следующих спецификациях безопасности:

• удерживающие ценности крепежа, якоря земли и других предметов, используемых в строительной промышленности;
• рабочие нагрузки на растяжение и на сдвиг;
• оборудование для скалолазания;
• тяги в ракетных двигателей и ракет-носителей;
• усилие зажима различных форм в литьевых машинах, используемых для изготовления пластиковых деталей.

Источники

Источником тока называется генератор, любой источник электрической энергии. Бывают механическими, тепловыми, световыми и химическими. К первым относятся газовые и паровые генераторы, турбогенераторы и механические преобразователи. Ко вторым относятся радиоизотопные термоэлектрические генераторы, а к третьим — солнечные батареи. К последним относятся гальванические солевые, щелочные или литиевые элементы, свинцово-кислотные, литий-ионные и никель-кадмиевые аккумуляторы.

Обратите внимание! Стоит указать, что источник электротока бывает идеальным и реальный. Первый — это двухполюсник, зажимы которого поддерживают электродвижущую постоянную силу

Второй же — двухполюсник, не имеющий постоянную силу из-за того, что зависит от внутреннего сопротивления. К реальному относится вторичная трансформаторная обмотка, катушка индуктивности, биполярный транзистор или генератор тока.

Виды источников

В целом, сила электротока — скалярная величина, измеряемая в амперах и равная одному кулону на секунду. Вычисляется при помощи выведенных формул, в частности по закону Ома, а также специальными измерительными приборами. Зависит от сопротивления, скорости магнитного потока и напряжения. Источниками выступают механические с тепловыми, световыми и химическими элементами, перечисленными выше.

[править] Кратные и дольные единицы

Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.

Амперметр — прибор для измерения силы тока

Принцип работы всех амперметров основан на электромагнитных свойствах тока. Стрелка прибора соединена с катушкой, которая получает вращательный момент в магнитном поле, когда через нее течет измеряемый амперметром ток. Основное требование, которым должны удовлетворять все эти приборы — весь электрический заряд, протекающий по проводнику, должен пройти через амперметр.

Рис. 1. Примеры амперметров – измерителей силы тока

Основные особенности амперметров, общие для всех моделей:

• На измерительной шкале должна присутствовать буква А;
• На амперметрах постоянного тока около контактных клемм должны быть символы “+” и “-“. Если “-” отсутствует, то по умолчанию все равно считается, что это прибор постоянного тока;
• Клемму “+” соединяют с проводом, идущим от положительного полюса тока, а клемму со знаком “-” — с проводом от отрицательного полюса;
• На амперметрах переменного тока должен присутствовать символ “~”. Для этой же маркировки могут использоваться обозначения на базе английских слов AC/DC (Alternating Сurrent — переменный ток, Direct Сurrent — постоянный ток);
• Все амперметры подключаются в электрическую цепь последовательно. Схему измерения можно условно представить так: амперметр включается в разрыв электрической цепи, чтобы пропустить через себя весь ток цепи;

Рис. 2. Принципиальная схема подключения амперметра

Подключение амперметра в цепь, где отсутствуют потребители тока (нагрузки), амперметр производить нельзя, так как это может привести к его поломке.

Дополнительные единицы

На практике для удобства записи, для очень маленьких или очень больших токов, часто применяют кратные и дольные единицы от основной. Напомним, что кратными называют единицы намного больше основной, а дольными — намного меньше основной:

• Наноампер — 1 нА = 0,000000001=1,0*10-9 А;
• Микроампер — 1 мкА = 0,000001 А;
• Миллиампер — 1 мА = 0,001 А;
• Килоампер — 1 кА = 1000 А;
• Мегаампер — 1МА = 1000000 А= 1,0*106 А.

Международное бюро мер и весов (находится в г. Севр, Франция), которое отвечает за обеспечение существования системы СИ, в 2019 г. планирует введение некоторых изменений в определениях основных единиц. Изменения будут внесены в определения кельвина, килограмма, моля и ампера. Эта реформа не повлияет на жизнь большинства людей. Необходимость этого мероприятия вызвана требованиями повышения точности в научных экспериментах и приборостроении. На основании опубликованных документов будут разработаны и утверждены государственные стандарты в странах, использующих систему СИ. На следующем этапе будут внесены корректировки в школьных и вузовских учебниках физики. Пока действующим является определение ампера, утвержденное в 1948 году.

Рис. 3. Примеры амперметров

Измерение тока в электрических цепях производится с помощью амперметров

Для калибровки шкал этих приборов (стрелочных и цифровых) очень важное значение имеет универсальность и точность самой единицы измерения — ампера

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое сила электрического тока, и как она связана с величиной электрического заряда. Единица измерения силы тока — ампер. Определение единицы измерения силы тока основано на силовом магнитном взаимодействии проводников, по которым течет ток. Дополнительно, когда величины токов много больше или, наоборот, много меньше 1 ампера, допускается использование дольных и кратных единиц: наноампер, микроампер, килоампер, мегаампер и др.

Сила в других системах единиц

Система СИ используется во всем мире и во всех областях исследования, тем не менее, в некоторых сферах в виду исторических причин или простого удобства применения продолжают указываться единицы измерения из других систем. Перевод всех их в единицы СИ также стандартизированы.

Одной из популярных является система СГС (сантиметр, грамм, секунда). Эта система была предложена еще в 1832 году немецким ученым Гауссом. В ней сила измеряется в динах (дин), 1 дин эквивалентна 10-5 ньютонов. СГС часто используется для описания электромагнитных явлений, поскольку в ее форме представления многие законы выглядят проще, чем в единицах СИ.

Еще одна система единиц, которую принято называть технической, часто использовалась для описания процессов инженерии. В ней сила является фундаментальной единицей, через которую определяется масса. Называется она килограмм-силой или килопондом. Килограмм-сила представляет собой такую интенсивность воздействия на тело массой 1 кг, которая равна силе гравитационного притяжения этого тела Землей, то есть 1 килопонд = 9,81 ньютона. С появлением СИ техническая система единиц практически перестала использоваться.

[править] Общее описание

Ньютон определяется как сила, которая придает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². Другая трактовка — сила, действующая на тело массой 1 кг в течение 1 с и меняет его скорость на 1 м/с

1 Н = 1 кг۰м/c2

1 Н = 105дин.

Формула для расчета силы в Ньютонах:

F = ma;

где: F — сила в Ньютонах;

m — масса в килограммах;

a — ускорение (м/c²)

Таким образом, на тело массой 1 кг, что находится в свободном падении (а=9,8 м/с²), действует сила F=1×9,8=9,8 ньютона. Если на 1 кг действует сила 9,8 ньютона, тогда 1 ньютон в 9,8 раз меньше килограмма и равен 0,102 кг неуравновешенной силы.

Чтобы «пощупать» силу в один ньютон, нужно поднять массу равную 102 граммам, чтобы она оказалась на высоте 1 метра ровно за 1,41 секунды и траектория этого движения — луч перпендикулярный земле. При этом ключевым является время, когда тело окажется на данной высоте (1,41 с). Даже если мы приложим значительную силу, в начале движения (a — приближается к бесконечности), для достижения условия высоты 1 метра на 1,41 с, должен существовать длительный промежуток времени, когда а равно нулю, или приобретает минусовое значение (или меняет свое направление), которое будет влиять на конечный средний результат силы — 1 ньютон в заданной траектории.

Виды приборов

В зависимости от конструкции и принципа действия, все динамометры подразделяются на механические, гидравлические, электрические. Особой категорией измерителей силы являются одноразовые датчики.

Механические (рычажные или пружинные) динамометры

Механические динамометры измеряют силу и ее момент, благодаря таким физическим процессам, как упругое растяжение и сжатие.

Основными разновидностями таких приборов являются:

• Рычажные – в таких приборах упругим телом служит рычаг, деформация которого передается на соединенный с ним датчик или измерительное устройство;
• Механические – это самые простые и распространенные динамометры, состоят из упругой пружины, соединенной со стрелкой, перемещающейся по круглой или вертикальной шкале, с нанесенными делениями, или датчиком, который передает электрический сигнал на электронный блок с электронным табло (монохромным жидкокристаллическим дисплеем).

На заметку. Перед тем, как измерить силу с помощью механического динамометра, являющегося по своей сущности и конструкции обычным безменом, обязательно убеждаются в том, что стрелка на круглой или вертикальной шкале расположена на значении «0». Если стрелка сбилась и показывает при отсутствии нагрузки значение больше нуля, то значит, что упругий элемент претерпел непоправимую деформацию, вызванную приложением к нему нагрузки, значительно превышающей предельно допустимую. Такой прибор уже не будет точным и со временем выйдет из строя.

Безмен – прибор для измерения веса (тяжести) различных предметов

Гидравлический динамометр

Гидравлический измеритель состоит из:

• Нескольких цилиндров, внутри которых находятся подвижные штоки с поршнями;
• Рычага, закрепленного на верхней части штоков;
• Измеряющего устройства (манометра).

В качестве рабочей жидкости в таких измерителях применяется масло.

Работает такой прибор следующим образом:

1. Прикладываемое к рычагу усилие через штоки и поршни воздействует на находящуюся в цилиндрах жидкость;
2. Вытесняемая жидкость по трубкам поступает к манометру;
3. Манометр измеряет давление поступившей из цилиндров жидкости и отображает его на круглой аналоговой стрелочной шкале или жидкокристаллическом монохромном цифровом дисплее в виде определённого значения воздействующего на рычаг усилия.

Гидравлический измеритель усилия

Такие приборы позволяют определять значение силы с большей точностью, чем механические аналоги. Однако, по сравнению с последними, такие динамометры характеризуются более высокой ценой, дорогостоящим ремонтом и обслуживанием, неточностью при разгерметизации цилиндров и появлении протечек рабочей жидкости.

Электрический динамометр

Электрические динамометры состоят из:

• Упругого элемента, соединённого с реагирующим на его деформацию датчиком индуктивного, емкостного, пьезоэлектрического, вибрационно-частотного или тензорезисторного типа;
• Усилителя поступающего от датчика электрического сигнала;
• Электронного блока, оборудованного дисплеем.

Принцип действия такого прибора достаточно прост:

1. Усилие, прилагаемое к упругому телу, регистрируется датчиком;
2. Датчик посылает электрический сигнал на усилитель, который, в свою очередь, передает его на электронный блок;
3. Электронный блок со встроенной микросхемой переводит полученный от усилителя сигнал в графическое изображение значения силы на дисплее.

Электрический динамометр

На заметку. Так как такие электрические приборы, в отличие от большинства механических и гидравлических, снабжены электронным блоком и дисплеем, перед использованием их необходимо включать специальной кнопкой. Питание таких приборов осуществляется от встроенных аккумуляторных батарей. Некоторые модели можно для обеспечения питанием подключать к сети, имеющей напряжение 220 В. Устройства, имеющие разряженное питание или не подключённые к сети, включаться и работать не будут.

Одноразовые датчики

Такие датчики, в отличие от описанных выше аналогов, используются для измерения разрушительных нагрузок, имеющих огромную мощность: очень сильного удара, мощного взрыва. Однако перед тем, как потерять целостность и полностью выйти из строя, они достаточно точно измеряют и передают на расположенный на безопасном расстоянии электронный блок данные о силе, разрушившей их.

Одноразовый датчик

Цифровые измерители тока

Большую популярность в последнее время приобрели цифровые измерители тока, которые включены в состав компактных устройств, называемых мультиметрами. Мультиметром можно также измерять напряжение и сопротивление. Индикация (отображение) измеряемой величины происходит в цифровом виде с большой точностью. Индикаторами служат либо светодиоды, либо жидкие кристаллы.

Рис. 3. Цифровой мультиметр

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что измерение силы тока производится с помощью амперметра. Единица измерения силы тока в системе СИ называется ампер. Амперметр включается в разрыв электрической цепи последовательно.