Еталони одиниць фізичних величин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Еталони одиниць фізичних величин

Для виконання вимірів необхідно, щоб одиниці відповідних фізичних величин були матеріалізовані, тобто щоб малися технічні пристрої і засоби, які б відтворювали ці одиниці. Такими пристроями або засобами вимірів, що відтворюють одиницю фізичної величини з найвищою точністю, є еталони.

Еталон являє собою засіб вимірів (або комплекс засобів вимірів), що забезпечує відтворення і збереження одиниці фізичної величини з метою передачі її розміру всім засобам вимірів, нижчестоящим за перевірочною схемою, виконане по особливої специфікації й офіційно затверджене у встановленому порядку як еталон.

Відповідно до поділу фізичних величин міжнародної системи одиниць розрізняють еталони одиниць основних та похідних величин, а за точністю їх відтворення та за призначенням - первинні і вторинні.

Первинні еталони відтворюють та зберігають одиниці фізичних величин з найвищою в даній країні (порівнянно з іншими еталонами тієї ж одиниці) точністю. Їх різновидом є спеціальні еталони, призначені для відтворення одиниць в умовах, коли пряма передача розміру від первинного еталона з потрібною точністю технічно нездійсненна (надвисокі частоти, надто малі чи надто великі енергії, тиски, температури тощо) і замінюють в цих умовах первинні еталони.

До вторинних еталонів належать еталон-копія, робочий еталон та еталон передавання. Еталон-копія служить для передавання розміру одиниці фізичної величини робочим еталонам (зразковим засобам вимірювальної техніки). Робочий еталон призначений для передавання розміру фізичної величини зразковим засобам вимірювальної техніки, а в окремих випадках - робочим засобам вимірювальної техніки. Для взаємного зрівняння еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть бути звірені безпосередньо, служить еталон передавання.

За складом еталони бувають у вигляді одиничних, групових еталонів, еталонних наборів або комплексу засобів вимірювальної техніки. Одиничний еталон становить одну міру, вимірювальний прилад або вимірювальну установку.

Прикладами одиночного еталона можуть служити: первинний еталон одиниці сили постійного електричного струму ампера, токові ваги; первинний еталон одиниці електричної ємності - фарада - розрахунковий конденсатор. Груповий еталон містить у собі сукупність однотипних СИ звичайно мір, застосовуваних як одне ціле для підвищення точності і метрологічної надійності еталона. Прикладами групового еталона можуть служити: первинний еталон одиниці електричного опору - Ома, до складу якого входить група з десяти котушок (мір) опору з номінальним значенням 1Ом; первинний еталон одиниці індуктивності - Генрі, що складається з чотирьох котушок індуктивності з номінальним значенням 10мг. При відтворенні одиниць такими еталонами розмір одиниці визначається середнім арифметичним значенням групи дійсне значення фізичної величини 'і'-й міри зі складу еталона; т - число мір.

Для зберігання чи відтворення розміру одиниці фізичної величини або її вимірювання в певному діапазоні значень служать набори відповідних мір або вимірювальних приладів (еталонні набори).

Еталонний набір містить у собі набір засобів вимірів, у якому окремі засоби вимірів мають різні номінальні значення або діапазони вимірів. Прикладами еталонних наборів є спеціальний еталон одиниці напруги, спеціальний еталон одиниці сили струму, первинний еталон одиниці магнітної індукції. До складу перших двох еталонів входять набори термоелектричних перетворювачів на різні номінальні значення напруги і струму, що дозволяють відтворювати одиницю напруги в діапазоні 0, 1 - 10В і одиницю сили струму в діапазоні 0, 01 - 10А. До складу еталона одиниці магнітної індукції входять три котушки магнітної індукції, різні по конструкції, геометричним параметрам і числу витків. Це дозволяє відтворювати три різних номінальних значення одиниці магнітної індукції - тесла.

Похибка відтворення і збереження одиниць фізичних величин державними первинними і спеціальними еталонами характеризується (ДСТ 8.381-80): середнім квадратичним відхиленням (СКО) результату вимірів S не виключеною систематичною погрішністю (НСП) і нестабільністю v. Погрішності можуть виражатися або в одиницях з мірної фізичної величини (у цьому випадку вони позначаються, як зазначено вище), або у відносних одиницях (у цьому випадку вони позначаються S 0, v0). Погрішність вторинних еталонів характеризується або середнім квадратичним відхиленням результату вимірів S, отриманим при його звіренні з первинним або спеціальним еталоном, або довірчою границею погрішності tSs з довірчою імовірністю 0, 99.

Для проведення робіт з еталонами призначаються особливі відповідальні особи - учені - хранителі еталонів.

Еталони даної країни називають державними (національними), а еталони, що належать до певної групи країн, - міжнародними. Державні еталони реалізуються як комплекси ЗВТ, які забезпечують зберігання, відтворення та передавання розмірів одиниць вторинним еталонам. Для забезпечення єдності вимірювань у міжнародному масштабі державні еталони різних країн періодично звіряють між собою та з міжнародними еталонами, які знаходяться в Міжнародному бюро мір та ваг (МБМВ). Особливої актуальності набуває необхідність міжнародних звірень сьогодні при інтеграції світової економіки з метою взаємного визнання результатів сертифікаційних вимірювань. Зауважимо, що сертифікація - це процедура, в результаті якої третя (незалежна від виробника та постачальника) сторона дає письмове підтвердження про відповідність продукції певним вимогам, які поширюються на цю продукцію.

Передавання розміру одиниці фізичної величини від первинного еталона до робочих засобів вимірювальної техніки здійснюється за схемою, наведеною на рис. 1.

Рис. 1. Узагальнена схема передавання розміру одиниць фізичних величин

Під передаванням розміру одиниці фізичної величини розуміють зведення одиниці фізичної величини, яка відтворюється або зберігається досліджуваним засобом вимірювальної техніки до розміру одиниці, що відтворюється або зберігається еталоном чи зразковим ЗВТ при їх звіренні. Це передавання здійснюється за участю зразкових засобів вимірювальної техніки, тобто ЗВТ, що служать для повірки інших ЗВТ і затверджених офіційно як зразкові. Засоби, що мають метрологічні характеристики, які відповідають найвищому ступеню повірочної схеми метрологічної служби, називають вихідними зразковими ЗВТ (1-го розряду). Всі інші зразкові ЗВТ за ієрархією поділяють на зразкові ЗВТ відповідно другого, третього та четвертого розрядів.

Для порівняння властивостей чи складу речовин (матеріалів) створюються зразкові речовини та стандартні зразки.

Зразкова речовина - зразкова міра у вигляді речовини з відповідними властивостями, які відтворюються при додержанні умов приготування, що подані у затвердженій специфікації, наприклад, чиста вода, чистий метал, сплав декількох металів тощо.

Стандартний зразок - міра для відтворення розмірів величин, що характеризують властивості чи склад речовин або матеріалів, наприклад, стандартний зразок складу певної руди для контролю правильності визначення вмісту її компонентів, стандартний зразок властивостей феромагнітного матеріалу.

Отже, проведення будь-якого вимірювального експерименту полягає у знаходженні співвідношення вимірюваної величини з деяким її значенням, що прийняте за одиницю, відтворення якої на найвищому за точністю рівні забезпечує еталон одиниці фізичної величини. Тому єдність і точність вимірювань різних фізичних величин значною мірою визначається станом еталонної бази метрології. У державних еталонах повинна бути втілена найвища точність відтворення як основних, так і похідних одиниць, досягнена сьогодні.

Оскільки вимоги до точності вимірювань тих чи інших фізичних величин не залишаються незмінними, а неухильно зростають з розвитком науки та техніки, та відповідно змінюються і вимоги до еталонів. Удосконалення і створення нових точніших еталонів становить вкрай складне та важке завдання. Це пояснюється тим, що можливості відомих способів еталонування у більшості випадків майже повністю вичерпали себе і простим удосконаленням існуючих методів та засобів підвищити точність еталонів на один чи тим більше декілька порядків неможливо. Щоб вийти з цього положення, сучасна метрологія змушена шукати принципово нові шляхи та способи еталонування важливіших фізичних величин, спираючись на досягнення інших наук і, перш за все, фізики.

У теоретичному плані точність еталона обмежена рівнем наших знань про природу, її фізичні, хімічні, біологічні та інші явища та закони, в технічному і технологічному планах - рівнем досконалості апаратури, яка реалізує ці явища та закони. Практика показує, що саме технічна сторона є в більшості випадків домінуючою. Тому зрозумілі постійні пошуки вчених-метрологів знайти або штучно створити такі явища чи ефекти, які б дозволили одержати результат практично не залежний від апаратурного рішення та впливних факторів (умов експлуатації).

Нагадаємо, що 20 травня 1875 року на дипломатичній конференції, що проходила в Парижі, повноважними представниками 17 держав була підписана Метрична конвенція, згідно з якою встановлювались міжнародні прототипи метра та кілограма, утворювались Міжнародне бюро мір і ваг (МБМВ) та Міжнародний комітет мір і ваг (МКМВ). Ця ініціатива була підтримана багатьма країнами світу і в 1882 році була утворена Міжнародна комісія у складі 30 держав для створення прототипів метричної системи мір і виготовлення нових платино-іридієвих прототипів метра та кілограма:

міжнародний прототип метра у вигляді платино-іридієвої штрихової міри увигляді рейки завдовжки 1 метр як приблизно 1/40000000 парижського географічного меридіана, що було прийнято за одиницю довжини;

платино-іридієва гиря масою в 1 кг як маса 1 дм³ чистої води при температурі 4°С, прийнятою за одиницю маси.

Найстаріше означення шкали часу базувалось на видимому русі зірок на небі. Так тривалість дня від сходу до заходу Сонця розбивалась на 12 годин, тривалість яких, своєю чергою, була функцією пори року. Далі година ділилась на 60 хвилин, а згодом з'явилось поняття секунди як 1/60 частка хвилини. Офіційно перша шкала часу базувалася на тривалості тропічного року. МКМВ в 1956 році визначив секунду як 1/31556925, 9747 частка тропічного року. Практично астрономічна одиниця часу стала доступною завдяки сигналам часу від кварцового генератора імпульсів.

З розвитком науки і техніки удосконалювались й еталони. Ще на початку XX століття М. Планк показав, що основні одиниці, зумовлені найзагальнішими законами фізики, можуть бути визначені через фундаментальні фізичні константи. Однак одиниці довжини, маси та часу, що визначались М. Планком через такі фундаментальні фізичні константи, як швидкість світла, стала Планка та гравітаційна стала, знаходяться надзвичайно далеко від значень, які використовуються на практиці. Так, планківські одиниці довжини, маси та часу дорівнювали відповідно: l10^-33см, m10^-5г, t10^-43c. Тому ці одиниці в метрології розповсюдження не знайшли.

Сьогодні ж ідея М. Планка втілена в означенні та відтворенні чотирьох основних одиниць: метр - на швидкості світла у вакуумі, секунда - на частоті квантового переходу атомів цезія-133, кельвін - на використанні реперних точок постійної температури (потрійна точка води - 273, 16 К, точка твердіння цинку - 692, 73 К, точка твердіння золота - 1337, 68 К та інші), кандела - на використанні фундаментальних властивостей світлового випромінювання абсолютно чорного тіла, моль - на числі Авогадро.

Складніше з відтворенням ампера. Його означення в SI містить ряд припущень, а технічна реалізація через струмові ваги, що базуються на механічних вимірюваннях, не дозволяє одержати необхідної точності відтворення одиниці. Пошуки шляхів підвищення точності відтворення цієї основної одиниці пішли, зокрема, у напрямку означення ампера через вольт та ом, які, в свою чергу, реалізуються через квантові ефекти Джозефсона та Холла.

Як відомо, в 1962 році фізиком Джозефсоном було відкрито ряд тунельних ефектів у надпровідникових структурах. Використання в метрології нестаціонарного ефекту Джозефсона дозволяє відтворювати значення ЕРС зв'язане з частотою f (яка вимірюється з найвищою з усіх фізичних величин точністю) та фундаментальними фізичними сталими співвідношенням

де n=1, 2, ..., n - номер сходинки на вольт-амперній характеристиці контакту Джозефсона; h - стала Планка; е - заряд електрона.

Після певних теоретичних та експериментальних досліджень у 70-х роках XX ст. було створено еталон одиниці ЕРС, за допомогою якого стало можливим відтворювати розмір вольта з невиключеною систематичною похибкою приблизно 10^-8. Це відкрило перспективу зниження похибки відтворення інших електричних величин в 10...15 разів, що привело до перегляду всієї системи еталонів електричних величин.

Подальшим етапом розвитку та удосконалення системи еталонів одиниць електричних величин стало створення еталона ома на базі відкритого в 1980 році квантового ефекту Холла і прийняття Міжнародним комітетом з мір і ваг рекомендації про перехід з 1990 року на нове визначення ома на основі цього ефекту.

Отже, можна зробити висновок, що в існуючій сьогодні системі еталонів одиниць електричних величин еталон вольта є найточнішим і найважливішим. Існують навіть пропозиції деяких вчених щодо переходу від системи МКСА до системи МКСВ, в якій вольт займав би місце основної одиниці і визначався б на основі ефекту Джозефсона, а ампер визначався б через вольт.

Найбільшою проблемою метрологів є відтворення кілограма, яке до цього часу проводиться за допомогою прототипів платино-іридієвих гир. Окрім організаційно-технічних труднощів, відбувається поступова зміна маси еталонних гир з часом внаслідок фізико-хімічних процесів. Тому йде інтенсивний пошук природних методів відтворення одиниці маси, з яких найперспективнішим є метод, пов'язаний з підрахунком кількості структурних елементів певного хімічного елемента, наприклад, атомів ізотопу кремнію-28. Але для цього потрібно підвищити точність визначення числа Авогадро, над чим працює зараз наукова думка.

Зупинимось детальніше на відтворенні одиниці температури, точніше на побудові температурної шкали. На відміну від таких фізичних величин, як довжина, маса чи площа, температура є не екстенсивною (параметричною), а інтенсивною (активною) величиною, тобто температура не має властивостей адитивності. При поділі тіла на частини температура кожної зберігається (залишається незмінною). Отже, температура тіл, що знаходяться в термічній рівновазі, однакова. Це явище не має безпосереднього шляху побудови температурної шкали, не дає можливості створити еталон температури аналогічно тому, як створюються еталони екстенсивних величин.

Завдання побудови температурної шкали може бути вирішене вимірюванням певної термічної властивості тіла (термоперетворювача), що знаходиться в термічній рівновазі з досліджуваною системою. Властивість та вид тіла можуть бути вибрані довільно (за відповідною домовленістю). Повинна також бути вибрана нульова точка шкали, в чому для екстенсивних величин нема потреби.

Оскільки вибір термоперетворювача та його вимірюваної властивості принципового значення не мають, то можуть бути вибрані такі тіла та їх властивості, що буде забезпечена відтворюваність та практична застосовність, а також можливість розрахунку теоретичної температурної шкали.

Такою шкалою в діапазоні температур в границях від 273, 16 К до 1357, 77 К є Міжнародна температурна шкала МТШ-90, прийнята в 1990 році на 17 сесії Консультативного Комітету з проблем термометрії. Згідно з МТШ-90 відтворення одиниці температури в цьому діапазоні засновано на використанні семи визначальних (реперних) точок постійної температури:

рівновага між твердою, рідкою та газоподібною фазами води (потрійнаточка води) - 273, 16К;

рівновага між твердою та рідкою фазами (точка плавлення) галію - 302, 9146К;

рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) індію - 429, 7485К;

рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) олова - 505, 078К;

рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) цинку - 692, 677К;

рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) алюмінію -933, 473К;

-рівновага між твердою та рідкою фазами (точка твердіння) міді -- 1357, 77К.

Для забезпечення передавання розміру одиниці температури в цьому діапазоні використовують низькотемпературні платинові термоперетворювачі ПТО-10, ПТО-25 з номінальним опором в потрійній точці води, відповідно, 10 та 25 Ом і високотемпературні термоперетворювачі ВТО з номінальним опором 0, 6 Ом. Термоперетворювачі атестують у відповідних реперних точках.

Первинний еталон одиниці сили світла кандели виконаний у вигляді трубки з окису торію, зануреної в розплавлену платину. Кандела - це сила світла, що випромінюється з поверхні площею 1/60000 м² повного випромінювача в перпендикулярному напрямку при температурі випромінювача, що дорівнює температурі твердіння платини при тиску 101325Па.

Точність відтворення одиниць фізичних величин еталонами дуже неоднакова. Деякі еталони Національної еталонної бази України мають такі характеристики. Найточнішим є еталон часу та частоти, який в діапазоні від 10^-10 до 10⁸ с забезпечує відтворення одиниці з відносним середньоквадратичним відхиленням (СКВ) результату вимірювань, що не перевищує 510^-14 при невиключеній відносній систематичній похибці 10^-13. Державний первинний еталон одиниці маси з номінальним значенням 1кг забезпечує абсолютне СКВ810^-3мг, а державний первинний еталон одиниці ЕРС в діапазоні від 0, 01 до 1 В - відносне СКВ510^-9 та 10^-8.

Первинний еталон одиниці довжини. У 1983 р. на XI Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг за одиницю довжини був прийнятий метр, розмір якого виражається в довжинах світлових хвиль. Згідно із затвердженим на конференції означенням, метр дорівнює довжині шляху, який проходить у вакуумі світло за 1/299792458 частину секунди.

Перевагою такого еталону є можливість відтворення довжини в діапазоні значень до 1м. Середнє квадратичне відхилення при відтворенні метра не перевищує 10^-8. Такі високі точності потрібні не тільки в метрології, але і в машинобудуванні, для потреб якого розроблені лазерні інтерференційні вимірювачі переміщень з похибкою 10^-7м і менше.

Більш точними мірами довжини, що використовуються на приладобудівних і машинобудівних підприємствах, є кінцеві міри довжини. Довжина в них визначається не відстанню між штрихами, а відстанню між двома паралельними площинами. За точністю виготовлення кінцеві міри ділять на п'ять класів: 0, 1, 2, 3, 4. Для уявлення про точність виготовлення кінцевих мір можна вказати, наприклад, що міра класу 0 з номінальним розміром 8 мм може мати похибку не більше 0.1 мкм. Така сама міра класу 4 може мати похибку не більше 2 мкм.

Первинний еталон одиниці маси. Кілограм - одиниця маси, яка дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма, який зберігається у Міжнародному бюро мір і ваг у Парижі (З ГКМВ 1901р.). Державний первинний еталон повинен складатися з комплексу таких засобів вимірювальної техніки:

первинного еталона - гирі масою 1 кг із спеціального немагнітного сплаву;

компаратора (еталонної ваги). Державний первинний еталон забезпечує відтворення одиниці з середнім квадратичним відхиленням результату вимірювання, яке не перевищує 810^-3мг (ДСТУ 3381-96).

Первинний еталон одиниці часу і частоти. Перехід на природну атомну одиницю часу був узаконений в 1967 р. на XIII Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг. Одиниця часу - секунда - дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Стабільність частоти цезієвого еталону є наслідком квантових закономірностей, що зумовлюють постійність енергії переходу атомів з одного енергетичного рівня на інший при відсутності зовнішніх магнітних полів. У первинному еталоні часу і частоти використовується перехід між двома енергетичними рівнями атома водню, при цьому частота випромінювання збуджених атомів, при відсутності зовнішніх впливів, постійна і дорівнює 1420405751, 8 Гц. У склад еталону входять група водневих генераторів, група кварцових генераторів, комплект подільників частоти, апаратура для порівнювання частот і допоміжні засоби вимірювань.

Первинний еталон одиниці сили електричного струму. Постановою IX Генеральної міжнародної конференції з мір і ваг було прийнято таке означення ампера: ампер дорівнює силі незмінного струму, який при протіканні через два паралельні прямолінійні провідники нескінченної довжини і зникло малої площі кругового поперечного перерізу, що розташовані у вакуумі на відстані 1м один від одного, викликав би на кожній ділянці провідника довжиною 1м силу взаємодії, яка дорівнює 210^-7Н (9 ГКМВ (1948р.)).

Первинний еталон одиниці температури. Одиниця термодинамічної температури - кельвін - була прийнята на XII Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг як 1/273, 16 частина термодинамічної температури потрійної точки води. Потрійна точка води - це стан рівноваги її твердої, рідкої і газоподібної фаз. Поряд з термодинамічною температурою Кельвіна використовується також і термодинамічна температура Цельсія, одиницею якої є градус Цельсія °С.

Зв'язок між температурою Кельвіна і температурою Цельсія виражається співвідношенням

t°C=T-273, 16K

де t - температура Цельсія в міжнародній практичній температурній шкалі 1968 р; Т- температура Кельвіна; 273, 16 К- температура точки розтоплення льоду за шкалою Кельвіна.

Міжнародна практична температурна шкала 1968 р. заснована на значеннях температур, що присвоєні певній кількості відтворюваних станів рівноваги (визначальних постійних точок), специфікованих і атестованих на інтерполяційних приладах (13 ГКМВ (1967р.)).

Первинний еталон одиниці сили світла. Повний випромінювач в еталоні кандели виконаний у вигляді трубки з оксиду торію, зануреної в розтоплену платину. В еталоні кандела (кд) - сила світла, що випромінюється з поверхні площею 1/60000 м² повного випромінювача, в перпендикулярному напрямку, при температурі випромінювача, яка дорівнює температурі тверднення платини при тиску 101325 Па. Сила світла, яке випромінюється з порожнини випромінювача, порівнюється з силою світла вторинних еталонів (спеціальні лампи розжарення) за допомогою фотометра. Середнє квадратичне відхилення похибки відтворення кандели не перевищує 110^-3кд при систематичній складовій 310^-3кд. Кандела дорівнює силі світла в заданому напрямку джерела, яке випромінює монохроматичне випромінення частотою 54010¹²Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку 1/683 Вт/ср. (16 ГКМВ (1976р.)).

Одиниця кількості речовини. Необхідність введення одиниці кількості речовини в практику вимірювань і розрахунків була обґрунтована на XIV Генеральній міжнародній конференції з мір і ваг (1971 p.), де до основних одиниць фізичних величин був доданий моль. Моль дорівнює кількості речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів у вуглеці-12 масою 0, 012 кг. Точно відтворити одиницю кількості речовини можна різноманітними способами, наприклад, спалюючи 0, 012 кг вуглецю у чистому кисні, отримаємо точно один моль молекул вуглекислого газу. Визначення кількості речовини за допомогою прямих вимірювань можна здійснювати в ядерних реакціях і в реакціях за участю елементарних частинок.

Еталони мір, їх походження та історія їх вдосконалення

Нагадаємо, що в жовтні 1960 року в Парижі відбулася ХI Генеральна конференція по заходах і терезах. Конференція прийняла нові визначення таких основних одиниць як метр і секунда і затвердила нову систему одиниць (SI). В серпні 1961 року в нашій країні була введена "Міжнародна система одиниць", що скорочено позначалася буквами СІ. Подальші уточнення СІ зазнала в 1981 році і з тих пір залишається без змін.

Одиниця фізичної величини - це фізична величина, якій за визначенням привласнено числове значення рівне одиниці. Одиниці підрозділяються на основні і похідні.

В даний час СІ містить в своїй підставі сім основних (еталонних) одиниць і дві додаткові.

Раніше одиниці вимірювань визначалися зразковими, еталонними тілами, що зберігалися в Міжнародному бюро заходів і терезів в Парижі і дуже точними їх копіями, що зберігалися в національних палатах. У нас ці еталони зберігалися в палаті мір і терезів в Санкт-Петербурзі. Але з часом, у міру розвитку наших уявлень про фізику переглядалися і еталони фізичних величин.

Так спочатку в 1791 році при введенні метричної системи метр був визначений як одна десятимільйонна частина четверті паризького меридіана. В 1799 році на основі вимірювань частини дуги меридіана був виконаний еталон метра у вигляді платинової кінцевої міри.

Створена за ініціативою Російської Академії наук Міжнародна комісія по прототипах метричної системи, враховуючи можливість більш точних вимірювань меридіана, прийняла рекомендацію про відмову від природного еталона і про ухвалення як початкова міра метра архіву. В 1889 році I Генеральна конференція по заходах і терезах затвердила платиноірідієвий штриховий еталон метра як міжнародний прототип метра.

Враховуючи, що ніяке удосконалення платиноірідієвого прототипу метра не дозволяє підвищити його точність вище досягнутої в 0, 1 мкм, і маючи нагоду вибрати довжину хвилі випромінювання атома як природний еталон довжини, що дає точність відтворення майже на два порядки більше, ХI Генеральна конференція вирішила: метр є довжина, рівна 1 650 763, 73 довжин хвиль у вакуумі випромінювання, відповідного переходу між рівнями 2p10 5d5 атома криптону 86.

Сучасне визначення: Метр рівний відстані, яку проходить плоска електромагнітна хвиля у вакуумі за 1/299792458 частку секунди.

Багато змін зазнало поняття секунда.

В 18 столітті секунда визначалася як 1/86400 частина середніх сонячних діб, проте виявилося, що обертання Землі схильне нерегулярним коливанням. З 1872 року по 1093 рік середня тривалість доби збільшилася на 0, 007 секунди, з 1903 по 1034 рік вона зменшилася на 0, 005 секунди, а потім почала знов зростати. Таким чином, середні доби можуть бути визначені лише з точністю до 10-7, що недостатнє для використовування їх як еталон при розвитку сучасної надвисокочастотної (СВЧ) техніки.

ХI Генеральна конференція по заходах і терезах запропонувала зв'язувати визначення секунди не з обертанням Землі навкруги своєї осі, як робилося раніше, а з рухом Землі по орбіті навкруги Сонця. Як еталон часу приймається тривалість тропічного року, тобто проміжок часу між двома послідовними весняними рівноденнями. Згідно новому визначенню, секунда є 1/31556925, 9747 частиною тропічного року для 1900 року січня 0 в 12 годин ефемеридного часу. Ефемеридним часом називається час, по якому обчислюють ефемериди, - координати небесних тіл, встановлюване за наслідками астрономічних наглядів і не залежне від коливань швидкості обертання Землі.

Проте дане визначення теж проіснувало не довго. Подальше збільшення точності вимірювань тимчасових процесів вимусило фізиків перейти до більш стабільного і точно зміряного атомного еталона часу.

Сучасне визначення одиниці часу - Секунда рівна 9192631770 періодам випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Одиниці вимірювання маси, температури, сили струму не зазнали значних змін з 1791 року. А ось одиниця сили світла в російській системі СІ навіть змінила свою назву. Раніше вона називалася свічка - і визначалася як значення одиниці сили світла, випромінюваного чорним тілом перпендикулярно поверхні площею 1/60 см2 при температурі 2042, 5 До (затвердіння платини при нормальному тиску).

Сучасна назва одиниці сили світла - кандела - рівна силі світла в заданому напрямі від джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540·1012 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямі складає 1/683 Вт/ср.

Одиниця кількості речовини так само поповнила список основних одиниць системи СІ порівняно недавно.

Разом з сімома основними одиницями СІ прийнято ще користуватися двома додатковими одиницями, вельми корисними для вирішення фізичних задач, але що належать швидше до такої науки як геометрія, ніж фізика. Йдеться про радіан і стерадіан.

Якщо уважно проглянути програму по фізиці для вступаючих до вузів, то там йдеться ще і про позасистемні одиниці. Що це таке?

Ми все добре знаємо, що порівнювати між собою однорідні величини люди почали дуже давно. Це була вимога землеробства і торгівлі, що розвивається. І у всіх країнах незалежно один від одного придумувалися міри довжини, площі, об'єму, ваги, тиску, потужності і т.д. Дотепер ще широко використовуються одиниці деяких фізичних величин не вхідні в систему СІ, їх використовування звичне і зручне, до них всі звикли і спроби переходу до вимірювань системними одиницями не прижилися (пригадаємо досвід переходу до вимірювання атмосферного тиску в Паскалях, коли народ заплутався в нулях).

Позасистемні одиниці вимірювання, що часто зустрічаються:

Кінська сила (л. з.) - одиниця потужності (двигунів)

1 л. з. = 735, 49875 Вт

Міліметр ртутного стовпа (мм рт. ст.) - одиниця тиску

1 мм рт. ст. = 133 Па

Атмосфера фізична (атм) - одиниця тиску

1 атм = 1, 01 · 105 Па

Атмосфера технічна (ат) - одиниця тиску

1 ат = 9, 81 · 104 Па

Треба помітити, що особливо багаті різними одиницями вимірювання довжини, ваги, тиску, температури. Так вже склалося історично, і в різних країнах дотепер користуються в побуті різними заходами.

Приведемо зведену таблицю основних фізичних величин, як вони визначені в даний час.

Основні одиниці системи СІ

зразковий речовина фізичний еталон

Додаткові одиниці системи СІ

Размещено на Allbest.ru