Единицы измерений, используемые в электронике

Предисловие

Данная статья написана для ознакомления читателя с теми единицами измерений, которые наиболее часто используются в электронике. Обычно, в различных учебниках и пособиях, связанных с электроникой и электротехникой определения единиц измерений раскрываются только с физической точки зрения, что, по субъективному мнению автора данной статьи, не особо способствует пониманию их смысла в отношении электричества.

Основной целью статьи является объяснение того, какие параметры электрического тока характеризует та или иная единица измерений и какой смысл она несет.

Вольт, ампер, Ом

Наверняка Вы помните еще со школы определение вольта как разность потенциалов между двумя точками, возникшая в результате совершения работы в 1 Джоуль по перемещению заряда величиной 1 Кулон из одной точки в другую.

Выражение через основные единицы системы СИ:

Преобразование едениц измерений

Однако данное определение находится достаточно далеко от электроники. В нашем случае более подходящее определение вольта — единица измерения ЭДС (напряжения), равная ЭДС, возбуждающей в проводнике сопротивлением 1 Ом ток силой 1 Ампер.

По аналогии с этим, можно дать определения для ампера и ома:

Ампер – единица измерения силы тока, равная силе тока, при которой за 1 секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд в 1 Кулон;

Ом – единица измерения электрического сопротивления, равная электрическому сопротивлению проводника, между концами которого возникает напряжение 1 Вольт при силе постоянного тока 1 Ампер.

Аналогии

Конечно, человеку достаточно сложно представить в уме принцип протекания электрического тока в проводнике, пользуясь лишь данными величинами, поэтому часто используют аналогии с процессом протекания жидкости в трубопроводе, а используя гидродинамические формулы, порой удается легко рассчитать сложные для понимания электрические схемы. Данный метод называется — метод электрогидравлических аналогий.

Гидравлические аналоги:

  • Электрическое напряжение – давление жидкости в трубопроводе;
  • Электрический ток – расход жидкости;
  • Электрическое сопротивление – отношение коэффициента вязкого трения жидкости к поперечному сечению трубопровода.

Также, для наглядности, можно привести карикатурную картинку, отражающую Закон Ома:

Визуализация закона Ома
Рисунок 1 — Визуализация закона Ома.

Децибел

Единицу измерения под названием «Бел» стали впервые применять инженеры телефонной лаборатории Белла. Децибел является десятой частью Бела (1 дБ = 0.1 Б).

Децибел – это логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений.

{{A}_{dB}}=10\cdot \lg \left( \frac{A}{{{A}_{0}}} \right)\text{.}

Где:

{{A}_{dB}} — величина в децибелах;

А – измеренная величина;

А0 – опорная величина, т.е. взятая за нулевой уровень (имеется в виду нулевой уровень в единицах дБ, поскольку в случае равенства величин логарифм их отношения равен нулю).

Переход от децибелов к отношению величин

\frac{A}{{{A}_{0}}}={{10}^{(0.1\cdot {{A}_{dB}})}}\text{.}

Изначально децибел использовался для оценки энергетических величин (мощность, энергия и т.д.), однако, в децибелах можно измерять отношения любых физических величин, предварительно выполнив преобразования (например: P=\frac{{{U}^{2}}}{R}={{I}^{2}}\cdot R\text{.} ).

Причины введения данной единицы измерений кроются в особенности восприятия информации человеком — интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя. Этот факт хорошо описывается эмпирическим законом Вебера-Фехнера:

\Delta A=K\cdot \frac{\Delta B}{B}\text{;}

A=K\cdot lg(B)+C\text{.}

Где:

А – величина ощущений;

В – величина раздражителя;

К – константа, отражающая субъект ощущения;

С – константа, отражающая субъект раздражителя.

Помимо этого, в децибелах проще производить вычисления, т.к. операция умножения в логарифмическом масштабе заменяется операцией сложения.

Также нужно отметить, что в децибелах удобно отображать и анализировать величины, изменяющиеся в очень широких пределах.