Ампер-весы

Ампе́р-весы́, называемые также токовые весы — электромеханический прибор, используемый для точного воспроизведения единиц силы электрического тока — ампер, с целью поверки электроизмерительных приборов.

Схема конструкции ампер-весов.

Общие сведения

Как известно: «Ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 метра один от другого в вакууме, вызывал бы между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2·10^-7 ньютона на каждый метр длины»^[1]. Формулировка содержит понятие бесконечно тонких и бесконечно длинных проводников, которые на практике невозможно реализовать. Поэтому для решения реальных задач было разработано специальное электромеханическое устройство с проводниками конечных размеров — ампер-весы. С их помощью получают данные позволяющие на основе законов электродинамики рассчитать искомую силу тока.

Первые ампер-весы разработаны в 1882 году британским физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). Отличительной чертой конструкции является компактность и точность, обусловленная тем, что сила тока определяется силой взаимодействия двух коаксиальных однослойных соленоидов^[2].

Конструкция и работа

По своей конструкции ампер-весы аналогичны аналитическим весам, у которых одна из чашек заменена на взаимодействующие проводники. Весы изготовляются из немагнитных материалов. Измеряемая сила тока определяется по силе взаимодействия двух проводников, выполненных в виде коаксиальных однослойных соленоидов, электрически соединённых последовательно. Сила взаимодействия соленоидов уравновешивается весом гирь, определяемых по формуле: ${\displaystyle F_{1}=mg}$ (см. рисунок), где ${\displaystyle m}$ — масса гири, а ${\displaystyle g}$ — ускорение свободного падения^[3].

Сила взаимодействия соленоидов вычисляется по выражению ${\displaystyle F_{2}=cI^{2}}$ , в котором ${\displaystyle I}$ — сила тока, а ${\displaystyle c}$ — нормировочный коэффициент, определяемый геометрией проводников.

При достижении равновесия выполняется равенство: ${\displaystyle F_{1}=F_{2}}$ , которое легко преобразуется в выражение: ${\displaystyle mg=cI^{2}}$ , а далее, в окончательную формулу:

${\displaystyle I={\sqrt {\frac {mg}{c}}}}$

Сила тока, вычисляемая по этой формуле, и является эталонным значением при поверке электроизмерительных приборов^[3].

Возникающие погрешности

Погрешность измерения при использовании ампер-весов зависит от точности определения коэффициента ${\displaystyle c}$ , точности принятого значения ускорения ${\displaystyle g}$ и фактического магнитного влияния окружающей среды^[4].

Относительная погрешность эталонных ампер-весов составляет порядка 0,001 %^[5].

См. также

• Амперметр
• Весы