5,83 МкА

Но как получить это число? Нужно сравнить данную величину с её единицей (или с её дольной единицей). Единица электрического тока – ампер. Но что такое ампер? Как определена эта единица? Вот теоретическое определение:

«Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенными в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2×10^–7 Н».

Совершенно ясно, что практически всё это недостижимо: бесконечная длина, вакуум. Практически ампер воплощается вэталонеампера.

До 1992 г. эталон ампера представлял собой т.н. «токовые весы». Это равноплечие рычажные весы, к одному из плеч подвешен соленоид, находящийся внутри другого, неподвижного соленоида, а к другому плечу – гири. Соленоиды соединены последовательно. При отсутствии тока гиря массой m₀ уравновешивает подвижный соленоид. При пропускании тока I по соленоидам возникает втягивающая сила kI², где k зависит от числа витков и геометрических размеров соленоидов. Она уравновешивается гирей с массой m:

,

откуда

.

Главное требование к эталону – стабильность. Токовые весы дают нестабильность тока I = 1 А практически не превышающую ± 10 мкА.

В 1992 г. введён новый эталон ампера, основанный на открытии квантовых эффектов Джозефсона и Холла [2]. Это позволило снизить нестабильность почти на два порядка: ± 0,15 мкА.

По своему смыслу эталон – этомера. Его назначение – хранить и воспроизводить физическую величину заданного размера.

Но простейшая линейка – это тоже мера, мера длины. Эталоны – это меры высшей точности. Это очень дорогие устройства, которые хранятся в метрологических институтах. Они находятся в специальных помещениях со стабильной температурой. Есть специальная должность – хранитель эталона.

По длинной цепочке размер единицы передаётся от самого точного первичного эталона ко вторичному, далее к рабочим эталонам и наконец доходит до рабочих измерительных приборов и мер.

В некоторых редких случаях для выполнения измерения достаточно только меры: измерение длины линейкой. Длина непосредственно воспринимается зрением. В большинстве же случаев одной меры недостаточно. Например, массу какого-либо тела можно измерить путём взвешивания на рычажных весах. Здесь тоже присутствует мера – это гири, но одних гирь недостаточно, нужны весы. Весы вместе с гирями – это измерительный прибор, в котором мера присутствует непосредственно. Есть другие весы, пружинные, со шкалой и стрелкой.

Теперь можно дать определение понятию «измерение»:

ИЗМЕРЕНИЕ – ЭТО СОВОКУПНОСТЬ ОПЕРАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА, ХРАНЯЩЕГО ЕДИНИЦУ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ НАХОЖДЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ С ЕЁ ЕДИНИЦЕЙ И ПОЛУЧЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ЭТОЙ ВЕЛИЧИНЫ.

Это определение содержится в [3]. До этого было принято другое [4], вошедшее во многие книги: «Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств».

От термина «измерение» происходит «измерять», но не следует употреблять «мерить», «замерять», «замер» и т.п.

Измерение – широкое понятие. Далее мы будем заниматься электрическими измерениями. Что это значит?

Физические величины могут быть:

• механические – сила, давление, …

• пространства и времени – длина, время, скорость,…

• тепловые – температура, теплоёмкость, теплопроводность, …

• электрические– ток, напряжение, мощность, сопротивление, …

• световые – сила света, световой поток, освещённость, …

• акустические – скорость звука, звуковое давление, …

……

……

Электрические величины в свою очередь можно разделить на:

• активные – ток, напряжение, э.д.с., мощность и др.;

• пассивные (параметрические) – сопротивление, ёмкость, индуктивность, взаимная индуктивность и др.

Кроме того, есть некоторые величины, неразрывно связанные с электрическими – частота, период, фазовый сдвиг.

Под электрическими измерениями понимают:

1. Измерения электрических величин;

2. Измерения временных величин, связанных с электрическими (обычно активными);

3. Измерение неэлектрических величин, преобразованных в электрические, например, измерение температуры с помощью термопары.

Термопара – пример измерительного преобразователя. Его нельзя отнести ни к мерам, ни к измерительным приборам.

Меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи – простейшие средства измерений.

ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ

Понятию «измерение» сопутствует понятие единство измерений. Это очень важное понятие. Существует Закон РФ об обеспечении единства измерений [5]. Что это значит – «единство измерений»? В Законе дано определение:

ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ – ЭТО СОСТОЯНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ, ПРИ КОТОРОМ ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫРАЖЕНЫ В УЗАКОНЕННЫХ ЕДИНИЦАХ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ НЕ ВЫХОДЯТ ЗА УСТАНОВЛЕННЫЕ ГРАНИЦЫ С ЗАДАННОЙ ВЕРОЯТНОСТЬЮ.

«Узаконенные единицы» – это единицы СИ и некоторые внесистемные единицы, разрешённые к применению (их около 20, например, тонна, гектар).

ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

Количественно точность измерений характеризуется погрешностями измерений. Есть две формы выражения погрешностей измерение:

• абсолютнаяпогрешность измерения Δ;

• относительнаяпогрешность измерения δ.

Абсолютная погрешность измерения:

, (1)

где Х – результат измерения;

Х_ист– истинное значение измеряемой величины.

Здесь Х_истпринципиально неизвестно (иначе, зачем было бы измерять?!), поэтому формула (1) годится только для теоретических исследований. На практике вместо неё применяется другая:

, (2)

где Х_д– действительное значение измеряемой величины, достаточно близкое к Х_ист, так что может использоваться вместо него.

В отличие от Х_истзначение Х_ддоступно для практического получения с помощью средства измерений, в достаточной мере более точного, чем данное, давшее результат Х.

Для того, чтобы не путаться в знаке погрешности, запомним, что всегда

ПОГРЕШНОСТЬ – ЭТО ИЗМЕРЕННОЕ МИНУС ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЕ

Относительная погрешность измерения:

или

Поскольку Δ << Х_д, т.е. Х и Х_дблизки, часто используют формулу

(3)

потому что обычно известно не Х_д, а Х.

Выполнив измерение, недостаточно указать только его результат Х. Обязательно нужно определить и указать граничное значение погрешности Δ_грпри некоторой близкой к единице вероятности, например, при вероятности Р = 0,95. Что это значит? Дело в том, что мы не знаем конкретного значения Δ, но с вероятностью Р можем утверждать, что

– Δ_гр≤ Δ ≤ Δ_гр. (4)

Другими словами, мы не знаем Х_ист, но с вероятностью Р можем утверждать, что Х_истнаходится в интервале

Х – Δ_гр≤ Х_ист≤ Х + Δ_гр. (5)

Бывают случаи, когда без указания Δ_гррезультат Х становится бессмысленным или даже вредным.

Примером может служить древняя задача, которую, по преданию, решал Архимед [6, стр. 14]. Его попросили определить, изготовлена ли корона из золота или это подделка – гораздо более дешёвый сплав, внешне похожий на золото. Архимед знал плотности золота и подозреваемого сплава: ρ_з = 15,5 г / см³; ρ_с = 13,8 г / см³. Плотность короны обозначим ρ_к. Для определения ρ_к обратились к двум экспертам А и Б. Результаты их работы:

Покажем эти результаты на графике:

Замечания:

1. Интервалы А и Б перекрываются, значит, оба измерения правильны, т.е. не противоречивы. Если бы интервалы не перекрывались, естественно было бы считать, что хотя бы один эксперт ошибся.

2. Погрешность измерения эксперта А столь велика, что его результат бесполезен: в его интервал попали и ρ_з и ρ_с, значит, нельзя узнать, из чего сделана корона.

3. Данные эксперта Б ясно говорят, что корона фальшивая: в его интервал попадает ρ_с и не попадает ρ_з.

4. Значит, для того, чтобы по результатам измерений можно было сделать правильный вывод, погрешность измерения не должна быть слишком большой, как у эксперта А. Однако, нет необходимости в том, чтобы она была очень мала. Она должна быть разумно мала, как у эксперта Б.

Главный вывод: оба измерения были бы бессмысленны, если бы они не содержали сведений о погрешностях. Более того, результат эксперта А наталкивал бы на мысль, что корона золотая.

Итак, кроме самого результата измерения должны быть указаны границы интервала, в котором с данной вероятностью находится истинное значение измеряемой величины. Этот интервал называют доверительным интервалом, а эту вероятность –доверительной вероятностью.

Пример записи результата измерения:

(5,481 ± 0,025) мА; Р = 0,95.

Размер доверительного интервала при данной доверительной вероятности характеризует точность.Чем ýже интервал при той же вероятности, т.е. чем меньше погрешность, тем выше точность.

Если интервал не указан, количество разрядов числа, выражающего результат измерения, ориентировочно свидетельствует о точности. Сравните, например, две записи: 5,4 А и 5,43135 А.

При этом не следует думать, что чем точнее, тем лучше. И это не только потому, что чем точнее, тем дороже обойдётся полученный результат. При увеличении точности мы обязательно столкнёмся с тем, что наша мысленная модель объекта перестаёт быть адекватной самому объекту.

Простой пример. Пусть нам надо измерить высоту проёма двери. Мы можем взять рулетку и измерить с погрешностью, не выходящей за пределы ± 0,5 см. Но если мы захотим произвести более точное измерение, например, такое, что погрешность не выходит за пределы ± 0,5 мм, мы обнаружим, что наша модель проёма в виде прямоугольника перестаёт быть адекватной: высота не одинакова по ширине.

Поэтому, строго говоря, понятие физическая величинаотносится не к самому объекту, а к его модели. По мере уточнения результатов измерений можно переопределять модель. Например, может выясниться, что модель проёма – это не прямоугольник, а трапеция.

Заключение по разделу 1.1.

Мы ввели и определили ряд понятий, связанных с метрологией. Они находятся в определённой взаимосвязи: