Jednostki miary to alfabet w języku, którym posługuje się nauka – a elektronika mówi nim wyjątkowo precyzyjnie. Nie zrozumiawszy podstawowych pojęć (takich jak amper, moc bierna, moc pozorna, moc czynna, henr, om, wolt, simens czy kulomb), trudno mówić o świadomym projektowaniu, naprawianiu, ulepszaniu, testowaniu czy nawet użytkowaniu komponentów elektronicznych. Interesuje Cię elektronika, a nie znasz fundamentów fizyki? Idealnie trafiłeś! Przygotowaliśmy praktyczny przewodnik po podstawowych wielkościach fizycznych, jednostkach miary prądu elektrycznego i ich znaczeniu w elektronice. Zapraszamy do lektury!
Wielkości fizyczne i jednostki miary prądu elektrycznego – fundamenty fizyki jako podstawy elektroniki
Fundamentem fizyki są określone prawa, zasady, pojęcia i wielkości fizyczne, wzajemnie ze sobą powiązane i tworzące spójny system opisu rzeczywistości. Opisanie praw dotyczących elektryczności i elektroniki jest zatem niemożliwe bez wcześniejszego zdefiniowania odpowiadających im wielkości fizycznych i ich jednostek miary.
Wielkości fizyczne – czyli co?
Wielkość fizyczna to cecha zjawiska fizycznego albo mierzalna właściwość ciała fizycznego. Umożliwia ona matematyczne modelowanie zjawisk i wyznaczanie wartości parametrów, które nie zawsze da się zmierzyć bezpośrednio.
Zbiór powiązanych ze sobą wielkości oraz odpowiadających im jednostek tworzy układ wielkości fizycznych, w którym wyróżniamy: wielkości podstawowe (niezależne) oraz wielkości pochodne (definiowane na ich podstawie). Przykładem wielkości podstawowej jest prąd elektryczny.
Wielkości fizyczne w elektronice
Jakie wielkości fizyczne stosujemy w elektronice i elektryce? Oto najważniejsze z nich:
- Napięcie elektryczne (U) – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami. Decyduje o przepływie prądu elektrycznego.
- Natężenie prądu elektrycznego (I) – ilość ładunku elektrycznego, który przepływa przez przewodnik w określonej jednostce czasu.
- Rezystancja (R) – opór, który materiał stawia przeciwko prądowi elektrycznemu. Dzięki niej działa np. regulacja jasności światła w ściemniaczach. Jeśli rezystancja zachodzi między dwoma zanieczyszczonymi powierzchniami, przepływ prądu elektrycznego będzie ograniczony – do czyszczenia zabrudzonych komponentów elektronicznych warto wybrać preparat czyszczący Kontakt IPA Plus.
- Prędkość ruchu ciała – tempo zmiany położenia ciała w określonym czasie; w elektronice ma znaczenie np. przy przesyłaniu sygnałów.
Inne ważne wielkości fizyczne to:
- Temperatura – kluczowy parametr przy projektowaniu układów narażonych na przegrzewanie. Do zastosowań przemysłowych i serwisowych przydadzą się tutaj pasty termoprzewodzące i kleje termiczne.
- Masa i ciężar – podstawowe parametry mechaniczne obiektów fizycznych.
- Siła – efekt oddziaływań mechanicznych, elektrycznych lub magnetycznych.
Jednostki miary – co to jest?
Wielkości fizyczne można mierzyć – a zatem przypisywać im wartości liczbowe. Wartość ta musi być wyrażona w odniesieniu do przyjętej jednostki miary, czyli zdefiniowanej wartości danej wielkości fizycznej, przyjętej za standard odniesienia. Jednostka miary jest zatem ustaloną wartością liczbową równą 1 (jedności).
Zestaw przyjętych jednostek tworzy układ jednostek. W Polsce posługujemy się Międzynarodowym Układem Jednostek Miar – SI (z fr. Système international d’unités).
Układy Jednostek Miar – przegląd historyczny
Układ SI (Międzynarodowy Układ Jednostek Miar) to jednolity, międzynarodowy system miar, który umożliwił naukowcom z całego świata swobodną komunikację oraz możliwość porównywania wyników badań. Bazuje na nim współczesna nauka i inżynieria.
Układ SI jest pierwszym tak uniwersalnie przyjętym systemem. Jednak mimo powszechności SI nie został oficjalnie przyjęty w trzech krajach: Mjanmie, Liberii i Stanach Zjednoczonych. Historycznie nie jest pierwszym wymyślonym systemem. Wcześniej korzystano – choć nie na tak wielką skalę – z takich układów jak:
- CGS (centymetr-gram-sekunda) – zdefiniowany w 1874 roku, szczególnie popularny wśród fizyków teoretycznych. Odegrał kluczową rolę w standaryzacji jednostek miar. Współcześnie, chociaż układ CGS odchodzi już w zapomnienie, pewne jednostki, pochodzące z niego (np. gauss czy barye), są nadal używane w określonych dziedzinach.
- MKS (metr-kilogram-sekunda) – przyjęty w 1889 roku, szeroko stosowany w inżynierii i fizyce klasycznej. Początkiem XX wieku uznano ten układ za międzynarodowy.
- MKSA (metr-kilogram-sekunda-amper) – poprzednik układu SI.
- MTS (metr-tona-sekunda) – najrzadziej stosowany wariant.
Pamiętaj jednak: zanim pojawiły się układy międzynarodowe, każdy kraj samodzielnie określał swoje jednostki.
Układ SI – geneza i znaczenie
Międzynarodowy Układ Jednostek Miar został zatwierdzony w 1960 roku, a w Polsce obowiązuje od 1966 roku. Prace nad jego ustaleniami rozpoczęto jednak już w 1948 roku.
Przełomową aktualizację w układzie SI wprowadzono w 2019 roku, kiedy to zdefiniowano kilka podstawowych jednostek na podstawie stałych fizycznych (m.in. stała Plancka, ładunek elementarny) – dzięki temu definicje kilograma, ampera, kelwina i mola przestały być zależne od bazy obiektów fizycznych i eksperymentów, a zamiast tego mają się opierać na stałych fizycznych.
Układ SI – charakterystyka
W Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar wyróżniamy dwie główne grupy jednostek, które tworzą spójny, hierarchiczny system:
- Jednostki podstawowe – definiowane w sposób niezależny: poprzez doświadczenia lub podstawowe stałe fizyczne. Przykładem jest metr, który określa się jako drogę przebytą przez światło w próżni w czasie 1/299 792 458 sekundy.
- Jednostki pochodne– odwołują się do jednostek podstawowych. Tworzy się je poprzez matematyczne równania i powiązania. Przykładem może być niuton (N) – jednostka siły – który liczy się na podstawie iloczynu między kg a m/s² (1 N = 1 kg × 1 m/s²). A przecież zarówno kg, m, jak i s to jednostki podstawowe.
Jeśli chcesz poznać listę wszystkich podstawowych i pochodnych jednostek układu SI, ich historyczne pochodzenie, sposób zapisu bądź różne ciekawostki na temat metrologii, powinieneś zajrzeć do oficjalnego dokumentu Międzynarodowego Biura Miar i Wag. Na jego podstawie powstał także artykuł „Compendium of main rules and practices applicable to the BIPM”, udostępniany do wglądu przez Główny Urząd Miar – polską instytucję metrologiczną.
Jednostki podstawowe układu SI — definicje jednostek podstawowych
Międzynarodowy Układ Jednostek skupia się na siedmiu podstawowych miarach, które stanowią punkt wyjścia dla całego systemu SI, tj. da się z nich wyprowadzić wszystkie inne jednostki. Owe siedem jednostek podstawowych to:
- Metr (m) – jednostka długości (l) – niezbędna przy projektowaniu płytek PCB.
- Kilogram (kg) – jednostka masy (m) – wykorzystywana jako podstawowa wartość podczas obliczeń sił działających na komponenty mechaniczne.
- Sekunda (s) – jednostka czasu (t) – kluczowa przy synchronizacji sygnałów i układów cyfrowych.
- Amper (A) – podstawowa jednostka natężenia prądu elektrycznego (I) – opisuje ilość ładunku przepływającego w jednostce czasu.
- Kelwin (K) – jednostka temperatury w układzie SI, używana głównie w naukach ścisłych do pomiaru temperatury bezwzględnej (termodynamicznej).
- Kandela (cd) – jednostka światłości – stosowana w technice oświetleniowej oraz kalibracji czujników optycznych.
- Mol (mol) – jednostka ilości materii, substancji (n) – ważny w analizie chemicznej, np. przy produkcji komponentów elektronicznych lub materiałów izolacyjnych.
Drugą, bardzo rozbudowaną grupą, są jednostki pochodne. Tworzy się je poprzez łączenie jednostek podstawowych (w różnych kombinacjach) ze wzorami algebraicznymi. Opowiemy o nich niedługo – bądź czujny! Będziemy kontynuować serię wpisów o podstawach fizyki – zachęcamy do śledzenia naszego bloga, gdzie dzielimy się specjalistyczną wiedzą!
Podsumowanie
Każdy elektronik i elektrotechnik powinien znać i umieć korzystać w praktyce z jednostek miary. Pamiętaj – niezależnie od tego, czy dopiero zaczynasz swoją przygodę z elektrotechniką, czy masz już spore doświadczenie w tej dziedzinie – że elektronika to nie tylko praktyczne działanie z układami scalonymi, ale i matematyczne równania, które stanowią jej podwaliny.