Единицы измерения, используемые в электронике: откуда появились единицы измерения и что они означают?

Электроника является областью, в которой ежедневно используются многочисленные физические величины и основные единицы измерения. Благодаря им мы можем описывать работу электрических цепей, выполнять измерения и проектировать электронные устройства. К числу важнейших понятий относятся, среди прочего, электрическое напряжение (U), сила электрического тока (A), электрическое сопротивление, мощность, электрическая ёмкость и индуктивность.

Стоит знать, что современные единицы измерения системы СИ появились не случайно. Многие из них носят имена учёных, внёсших огромный вклад в развитие физики и электротехники. В настоящее время большинство измерений основано на Международной системе единиц СИ, которая упорядочивает основные единицы измерения и производные единицы системы.

Что такое система единиц СИ?

Международная система единиц СИ (SI, Système International d’Unités) представляет собой общепринятую во всём мире систему единиц, используемых для измерения физических величин. Она была разработана для того, чтобы результаты измерений были однозначными и максимально сопоставимыми во всём мире.

Основу системы СИ составляют 7 основных единиц:

На основе этих единиц образуются производные единицы, например:

• электрическое напряжение – вольт (V),
• мощность – ватт (W),
• электрическое сопротивление – ом (Ω),
• электрическая ёмкость – фарад (F).

Система СИ также использует приставки, которые облегчают запись очень больших и очень малых значений, например:

• кило (k) = 1000,
• мега (M) = 1 000 000,
• милли (m) = 0,001,
• микро (µ) = 0,000001,
• нано (n) = 0,000000001.

Пример:

• 2 km = 2000 m,
• 5 ms = 0,005 s,
• 3 MW = 3 000 000 W.

В настоящее время система СИ является стандартом в науке, технике, медицине и большинстве стран мира, благодаря чему все используют одни и те же единицы измерения при выполнении и сравнении измерений.

Откуда происходят названия единиц измерения, используемых в электронике?

Многие единицы измерения, используемые в электронике и электротехнике, были названы в честь выдающихся учёных, внёсших значительный вклад в развитие электричества, магнетизма и электроники.

Ампер (A) — Андре-Мари Ампер. Французский физик, математик и один из основоположников электродинамики. Исследовал взаимосвязь между электрическим током и магнитным полем.

Вольт (V) — Алессандро Вольта. Итальянский физик, изобретатель первой электрической батареи, известной как вольтов столб. Его исследования способствовали развитию электротехники.

Ом (Ω) — Георг Симон Ом. Немецкий физик и преподаватель. Сформулировал закон Ома, описывающий зависимость между напряжением, силой тока и сопротивлением.

Ватт (W) — Джеймс Уатт. Шотландский изобретатель и инженер-механик. Усовершенствовал паровую машину, способствуя развитию промышленности и энергетики.

Фарад (F) — Майкл Фарадей. Английский физик и химик. Открыл явление электромагнитной индукции и создал основы работы трансформаторов и электрических двигателей.

Генри (H) — Джозеф Генри. Американский физик, исследовавший электромагнетизм. Независимо от Фарадея открыл явление электромагнитной индукции и занимался развитием электромагнитов.

Герц (Hz) — Генрих Герц. Немецкий физик, который первым экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Джеймсом Клерком Максвеллом.

Кулон (C) — Шарль-Огюстен де Кулон. Французский физик и военный инженер. Исследовал взаимодействия между электрическими зарядами и сформулировал закон Кулона.

Тесла (T) — Никола Тесла. Сербско-американский изобретатель, инженер-электрик и инженер-механик. Разработал множество решений, связанных с переменным током (AC), электрическими двигателями и передачей энергии.

Основные единицы измерения системы СИ:

1. Длина:
   Единица измерения: метр (m).
   Определение: характеризует расстояние между двумя точками и позволяет описывать размеры объекта.
   Пример: Ручка имеет длину 15 см, то есть 0,15 м.
2. Масса:
   Единица измерения: килограмм (kg).
   Определение: характеризует количество вещества в теле, то есть показывает, насколько «тяжёлым» является предмет.
   Пример: Школьная сумка имеет массу 5 кг.

3. Время:
   Единица измерения: секунда (s).
   Определение: характеризует продолжительность явления или интервал между событиями, позволяет измерять, как долго что-либо длится.
   Пример: Моргание глаза длится примерно 0,3 с.

4. Сила электрического тока:
   Единица измерения: ампер (A).
   Определение: характеризует количество электрического заряда, проходящего через проводник за единицу времени, и показывает величину протекающего тока.
   Пример: Через проводник протекает ток силой 5 А, что означает, что каждую секунду через него проходит заряд величиной 5 кулонов.

5. Термодинамическая температура:
   Единица измерения: кельвин (K).
   Определение: характеризует степень нагретости тела, показывая, насколько тёплым или холодным является объект.
   Пример: Комнатная температура составляет примерно 293 K (20°C).

6. Количество вещества:
   Единица измерения: моль (mol).
   Определение: характеризует число частиц (атомов, молекул и т. п.) в веществе и используется для подсчёта очень большого количества микрочастиц.
   Пример: 1 моль воды содержит примерно 6,02 × 10²³ молекул воды.

7. Сила света:
   Единица измерения: кандела (cd).
   Определение: характеризует интенсивность света, излучаемого в заданном направлении, и показывает, насколько ярко светит источник света.
   Пример: Зажжённая свеча имеет силу света около 1 канделы (1 cd).

Электрическое напряжение (U) – что это такое?

Проще говоря, электрическое напряжение (U) представляет собой силу, которая «заставляет» электрический ток течь в цепи. Это можно сравнить с водой в трубе:

• электрический ток – это вода, текущая по трубе,
• напряжение – это давление, которое проталкивает эту воду.

Чем выше давление, тем легче и быстрее течёт вода. Точно так же и в электротехнике: чем выше напряжение, тем больше способность к прохождению электрического тока.

Пример из повседневной жизни: Представьте себе воздушный шар, наполненный воздухом. Если сделать в нём небольшое отверстие, воздух начнёт выходить наружу, поскольку внутри давление выше, чем снаружи. С электрическим напряжением ситуация аналогична: электроны перемещаются из области с более высоким потенциалом в область с более низким потенциалом, создавая поток электрического тока.

В чём измеряется напряжение?

Единицей измерения электрического напряжения является вольт (V).

Примеры:

• батарейка AA – 1,5 V,
• порт USB – 5 V,
• автомобильный аккумулятор – 12 V,
• электрическая розетка в доме – 230 V.

Почему напряжение важно?

Без напряжения у тока не было бы «движущей силы», необходимой для протекания. Именно благодаря напряжению работают электрические устройства, такие как: телефон, ноутбук, телевизор, холодильник, освещение.

Электрическое напряжение – как выполнить измерение напряжения?

Электрическое напряжение измеряется с помощью вольтметра.

Измерительный прибор подключается параллельно исследуемому элементу или источнику напряжения. Результат измерения отображается в вольтах (V).

Например, чтобы проверить напряжение батарейки AA, необходимо приложить щупы вольтметра к её полюсам. Показание прибора может составлять около 1,5 V.

Где используется сила электрического тока (I)?

Сила тока определяет, какое количество электрических зарядов проходит через проводник за определённое время. Это одна из основных физических величин, характеризующих электрический ток. Чем больше поток электрических зарядов, тем выше сила тока.

На практике протекание тока можно сравнить с движением воды по трубам. Чем больше воды проходит через трубу за одну секунду, тем больше расход потока. Аналогично, чем больший электрический заряд перемещается через проводник за то же время, тем выше сила тока.

Единицей измерения силы тока является ампер (A). Это одна из семи основных единиц Международной системы единиц СИ.

Часто можно встретить выражение электрический ток в амперах, которое относится именно к измерению силы тока, выражаемой в амперах. Знание этой величины необходимо везде, где анализируются единицы измерения тока, единицы измерения электрического тока и параметры электронных устройств.

Как выполнить измерение силы тока?

Сила тока измеряется с помощью амперметра. Измерительный прибор подключается последовательно в электрическую цепь, чтобы весь ток проходил через измерительное устройство. Результат измерения отображается в амперах (A).

Пример: Во время зарядки телефона можно измерить, что зарядное устройство обеспечивает ток силой 2 A.

Сопротивление (R) и электрическое сопротивление – в чём заключается их сущность?

Резистивность (электрическое сопротивление) определяет, насколько сильно элемент препятствует прохождению электрического тока.

Единицей измерения электрического сопротивления является ом (Ω).

На практике измерение электрического сопротивления выполняется с помощью мультиметра, оснащённого функцией омметра. Электрическое сопротивление можно сравнить с сужением трубы: широкая труба легко пропускает воду, а узкая затрудняет её поток.

От чего зависит сопротивление?

Значение электрического сопротивления зависит, в частности, от:

• типа материала (например, медь проводит электрический ток лучше, чем пластик),
• длины проводника,
• толщины проводника,
• температуры.

Сопротивление позволяет контролировать протекание тока в электрических цепях. Благодаря ему можно защищать устройства от повреждений и регулировать работу различных электронных компонентов, таких как светодиоды, датчики и интегральные схемы.

Электрическая мощность (P) и её виды

Мощность характеризует скорость потребления или передачи электрической энергии. Чем выше мощность устройства, тем больше энергии оно потребляет за одно и то же время. Например, лампа мощностью 60 W за одинаковый промежуток времени потребляет в два раза больше энергии, чем модель мощностью 30 W.

В цепях переменного тока различают:

• Активная мощность (выполняет работу) – выполняет полезную работу и преобразуется в другие виды энергии, например в свет, тепло и механическое движение.
• Реактивная мощность (обеспечивает работу устройств) – не выполняет полезной работы, но необходима для функционирования некоторых электрических устройств, таких как двигатели, трансформаторы или катушки индуктивности. Проще говоря, она «циркулирует» между источником и нагрузкой.
• Полная мощность (сумма обоих видов мощности) – общая мощность, потребляемая из электрической сети. Состоит из активной и реактивной мощности. Показывает степень нагрузки электрической сети.

Что такое электрическая ёмкость?

Электрическая ёмкость определяет способность конденсатора накапливать энергию и электрический заряд. В электронных схемах конденсаторы отвечают, в частности, за фильтрацию напряжения и стабилизацию работы электронных устройств. Единицей измерения ёмкости является фарад (F).

Конденсаторы применяются в:

• компьютерных блоках питания,
• зарядных устройствах для телефонов,
• фотовспышках фотоаппаратов,
• электронных схемах телевизоров и компьютеров.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и тем эффективнее способен стабилизировать напряжение и снижать уровень помех в электрической цепи.

Индуктивность и магнетизм – как они работают?

Катушки накапливают энергию в магнитном поле. Их важнейшим параметром является индуктивность. Единицей измерения индуктивности является генри (H), названный в честь Джозефа Генри.

Обычно различают два понятия:

Собственная индуктивность – катушка воздействует сама на себя и противодействует изменениям собственного тока.

Взаимная индуктивность – одна катушка воздействует на другую катушку, индуцируя в ней напряжение.

Явления собственной и взаимной индуктивности непосредственно связаны с магнитным потоком и магнитным полем. Магнитный поток определяет, какое количество магнитного поля проходит через заданную поверхность, например через витки катушки. Для описания магнитной индукции используется единица измерения тесла (T).

Частота (f) – что это такое?

Единицей измерения частоты является герц (Hz).

Частота определяет, сколько раз в течение одной секунды повторяется определённое явление. Например, электрический ток в бытовых розетках в Польше имеет частоту 50 Hz, что означает, что ток изменяет своё направление 50 раз в секунду.

Электрический заряд – для чего он используется?

Электрический заряд характеризует количество заряда, накопленного или перемещающегося в электрической цепи. Упорядоченное движение электрических зарядов приводит к возникновению электрического тока. Общее количество электрического заряда выражается в кулонах. Кулон (C) является официальной единицей измерения электрического заряда.

Электрический заряд играет ключевую роль в:

• работе батарей и аккумуляторов,
• передаче электрической энергии,
• электронике и компьютерах,
• конденсаторах, накапливающих электрический заряд,
• электростатических явлениях, таких как молнии.

Заключение

Единицы измерения и величины, используемые в электронике, позволяют точно описывать работу электрических цепей и корректно выполнять измерения. Большинство из них основано на Международной системе единиц СИ, которая является общепринятым стандартом, используемым в науке.

В электронике особое значение имеют такие величины, как электрическое напряжение (V), сила тока (A), сопротивление (Ω), мощность (W), ёмкость (F), индуктивность (H), частота (Hz) и электрический заряд (C). Именно благодаря им становится возможным проектирование, наладка и диагностика электронных устройств, от простых схем до сложных компьютерных и энергетических систем.

Знание основных единиц измерения и их значения облегчает понимание принципов работы электрических устройств, правильную интерпретацию результатов измерений и безопасную работу с электронными схемами. Это базовые знания для каждого, кто интересуется электроникой, как на любительском, так и на профессиональном уровне.