Физические основы измерения силы электрического тока.

Эталон ампера

Из учения об электричестве известно, что электрический ток представляет любое упорядоченное движение электрических зарядов в проводнике под действием приложенного электрического поля. Количественной мерой электрического тока является сила тока, которая определяется количеством электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. В качестве эталона единицы силы тока на первый взгляд следовало бы принять количество единичных зарядов, проходящих через единицу поперечного сечения проводника в единицу времени. В качестве единичного заряда возможно принятие заряда электрона или определенного количества электронов. Однако до настоящего времени нет технических возможностей создать эталон на основе количества электричества с требуемой точностью. Поэтому от меры количества электричества в качестве единицы силы тока пришлось отказаться. В основе определения единицы силы электрического тока лежит явление взаимного действия параллельных проводников, по которым проходит электрический ток. Это явление открыл Ампер в 1820 г. Выяснилось, что можно рассчитать и измерить с достаточно высокой точностью силу взаимодействия токов, протекающих по проводникам конечных размеров. Электрический ток в окружающей среде вызывает также другие явления или эффекты: выделение тепла при прохождении тока по проводнику, выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит, пондеромоторное (механическое) действие электрического тока на магнит или на проводник. Но эти явления менее эффективны в качестве основы единицы электрического тока, так как не обеспечивают достаточной точности воспроизведения единицы силы тока.

Современное определение единицы силы тока характеризует силу неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу, равную 2 · 10^–7 Н на каждый метр длины. Данное определение содержит понятие бесконечно длинных и бесконечно тонких проводников, которых в реальности не существует. Но на практике возможен расчет с использованием закона Ампера силы взаимодействия между проводниками конечной длины и реального диаметра.

Для измерения силы взаимодействия между проводниками, расстояние между осями которых равно α, используют так называемые токовые весы.

В конструкции токовых весов предусмотрены подвижная и неподвижная коаксиально расположенные обмотки, сила взаимодействия между которыми измеряется с помощью общеизвестной процедуры взвешивания. В целом токовые весы не отличаются от обычных точных аналитических весов. Сила взаимодействия токов в катушках составляет

,

где l – длина проводника, равная длине провода в подвижной катушке; I ₁ = I ₂ – сила тока в катушках (при последовательном соединении катушек); α – расстояние между осями проводников; µ₀ – магнитная постоянная.

Из определения единицы силы тока I ₁ = I ₂ = 1 А, а = 1 м, F / l = 2 · 10^–7 Н /м и приведенного выражения для силы взаимодействия токов следует, что магнитная постоянная, Гн/м, равна

µ₀ = Н/А² = 4 · 10^–7 π.

Силу взаимодействия в токовых весах уравновешивает сила тяжести F = mg. Приравнивая выражения для силы взаимодействия, находим расчетную силу тока:

I = .

Эталон ампера представляет собой комплекс измерительных средств, применяемых для воспроизведения, хранения и передачи единицы силы электрического тока – ампера. В состав этого комплекса входят токовые весы с электромагнитными неподвижными и подвижными катушками и аппаратура для передачи размера единицы тока, включающая специальную эталонную катушку сопротивления.

Относительная погрешность при измерении силы тока с помощью токовых весов, по которым определяется ампер, составляет не менее 5 · 10^–6. Эту погрешность можно снизить на один порядок использованием для измерения силы тока эталонов электродвижущей силы и сопротивления.