Jednostki miar – Natężenie - Pozwól, że wyjaśnię

Czas czytania w minutach: 3

Zbliżamy się do końca naszego cyklu dotyczącego jednostek miary. Dziś porozmawiamy o jednostce, w której mierzymy natężenie płynącego prądu elektrycznego. Czym jest amper i jak się go definiuje? Pozwól, że wyjaśnię!

Skąd wziął się amper?

Czas czy odległość ludzkość mierzy od zawsze. W porównaniu do jednostek używanych dla tych wielkości, jednostka z której korzystamy do mierzenia natężenia prądu elektrycznego jest naprawdę młoda. Pierwsze próby zdefiniowania takiej jednostki miały miejsce blisko połowy XIX wieku – niecałe dwieście lat temu. I co ciekawe, odkąd tylko przyjęto jedną powszechnie stosowaną jednostkę, nosiła ona nazwę pochodzącą od nazwiska wybitnego badacza zjawiska elektromagnetyzmu, André Marie Ampère’a. Od niego też pochodziła większość nazw jednostek alternatywnych.

Wynika to z prostego faktu, że gdy prąd elektryczny zaczynał być szerzej badany, a później odgrywać coraz szerszą rolę w świecie, system metryczny był już przejęty i szeroko stosowany. Pierwszy oficjalny wzorzec metra został ukończony w 1799 roku. Tymczasem Alessandro Volta opracował pierwszą baterię dopiero rok później. Pierwszy silnik elektryczny to rok 1821, a pierwsza żarówka – 1879!

Co mierzy natężenie?

Dlatego też, gdy międzynarodowe komisje wzięły się za definiowanie nowej jednostki, nie musiały się mierzyć z wieloma tradycyjnymi jednostkami używanymi od czasów niepamiętnych. Dzięki temu amper jako jednostka natężenia prądu przeszedł w miarę bezboleśnie. Ale czym właściwie jest to natężenie? Jak już kiedyś pisałem, łatwo to sobie wyobrazić, jeśli porównamy prąd do wody. Natężenie przepływu wody mówi nam o tym, ile wody przepłynęło w danym miejscu przez określony czas. I analogicznie natężenie prądu mówi nam o tym, ile nośników ładunku – elektronów – przepłynęło przez dany punkt w określonym czasie.

I tak właśnie często przedstawia się współczesną definicję ampera: jest to natężenie, które odpowiada przepływowi jednego kulomba ładunku elektrycznego w czasie jednej sekundy. Kulomb z kolei jest przedstawiany jako konkretna liczba ładunków elementarnych, czyli na przykład ładunków jednego elektronu. Można to porównać do mierzenia ilości materii w molach. Tak samo, mamy jakąś konkretną liczbę sztuk czegoś, i to właśnie definiujemy jako jednostkę.

Jak dziś definiuje się amper?

Tyle, że w rzeczywistości jest inaczej. Bo aktualnie dokładna definicja ampera mówi nam: ładunek elementarny, czyli na przykład ładunek jednego elektronu, to jest określony ułamek kulomba¹, który jest rozumiany jako ładunek przenoszony przez prąd o natężeniu jednego ampera w czasie jednej sekundy. Trochę skomplikowane, ale sprowadza się to do znanej już Wam z poprzednich części naszego cyklu filozofii. Chodzi o ugruntowanie definicji jednostek miar w elementarnych stałych, w prawach rządzących fizyką, a nie w konkretnych wzorcach.

Ładunek elementarny ten właśnie warunek spełnia. Niezależnie od tego, gdzie przeprowadzimy pomiary, elektron zawsze ma taki sam ładunek. Co za tym idzie, każde odpowiednio wyposażone laboratorium powinno uzyskać taki sam wynik – a więc uzyskać tę samą wartość ampera. Tyle tylko, że po drodze trzeba przejść przez kulomba, czyli jednostkę ilości ładunku. Więc dlaczego to amper, a nie kulomb jest jednostką podstawową?

Jak było kiedyś

Tutaj już wchodzą względy historyczne – ale i praktyczne. Pracowaliście kiedykolwiek z prądem? Jeśli tak, to wiecie, jak często przydaje się zmierzenie ilości ładunku elektrycznego. Odpowiedź sprowadza się do słowa “niezbyt”. Co więcej, nie jest łatwo takiego pomiaru dokonać. Z kolei natężenie to wartość, którą mierzy się bardzo często, a pomiar jest stosunkowo prosty. I tak było “od zawsze” – natężenie zawsze było bardziej prywatne i łatwiejsze do zmierzenia. Stąd też to amper jest jednostką podstawową, choć w jego definicji występuje kulomb.

A skoro już o historii mowa. Pisałem o aktualnej definicji – jak więc wyglądała definicja wcześniej? Do niedawna, bo do 2019 roku, amper był definiowany jako takie natężenie, które wywoła siłę 200 nanoniutonów, jeśli pręd będzie płynął przez dwa przewodniki o nieskończonej długości, znajdujące się o metr od siebie. Do tego przewodniki mają mieć nieskończenie małą średnicę. Wyobrażacie sobie, jak łatwo było to zmierzyć? Dodatkowo nieuniknione błędy pomiarowe były zdecydowanie większe, niż te, które przewiduje nowa definicja.

Czy wszędzie amper jest amperem?

A jak radzą lub radziły sobie z natężeniem inne systemy? Jak już wspomniałem – ampery są amperami na całym świecie. Ani Amerykanie, ani Brytyjczycy nie wprowadzili tutaj na dłużej własnych pomysłów. Układy bazujące na systemie centymetr-gram-sekunda próbowały wykorzystać jednostkę abamper, zwaną również biotem. Jeden abamper to dziesięć “zwykłych” amperów. Choć taka właśnie jednostka była formalnie przyjęta – to w praktyce i tak wykorzystywano “zwykłe” ampery. A skąd kombinacja z abamperami? Stąd, żeby lepiej pasowały do definicji, która siłę działającą na przewodniki wyraża w dynach, a odległość pomiędzy nimi ustala na jeden centymetr. Tak czy inaczej – wraz ze śmiercią układów cgs, abampery odeszły do lamusa. Niech żyje amper!

Warto tu jeszcze wspomnieć, o jakich wielkościach mówimy. Czy jeden amper to dużo? Tak – i nie. Dla człowieka? Zabójczo dużo. Już 20 miliamperów może być śmiertelne. Z drugiej strony – żelazko czy czajnik elektryczny wykorzystuje około 10 amperów. Robot kuchenny – około 4-5 amperów. Widać więc, że z prądem żartów nie ma – jeśli chcecie dowiedzieć o tym więcej, zapraszamy do naszego artykułu Prosto o prądzie elektrycznym. Z kolei więcej ciekawostek o różnych jednostkach możecie znaleźć w recenzowanej przez nas książce. A w cyklu jednostek miary została nam już tylko ostatnia, najrzadziej wykorzystywana na co dzień: następnym razem porozmawiamy o kandeli!

Prosto o prądzie elektrycznym – jak się zabezpieczyć przed prądem?

Bibliografia

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!